Calcolo della corrente termica

Il corrente di calore è la velocità con cui il calore viene trasferito nel tempo. Poiché è una velocità di energia termica nel tempo, l'unità SI della corrente termica è joule al secondo o watt (W).

Il calore scorre attraverso oggetti materiali attraverso la conduzione, con particelle riscaldate che impartiscono la loro energia alle particelle vicine. Gli scienziati hanno studiato il flusso di calore attraverso i materiali molto prima ancora di sapere che i materiali erano costituiti da atomi, e la corrente di calore è uno dei concetti che è stato utile in questo senso. Ancora oggi, sebbene comprendiamo che il trasferimento di calore sia correlato al movimento dei singoli atomi, nella maggior parte delle situazioni è poco pratico e inutile cercare di pensare alla situazione in quel modo, e fare un passo indietro per trattare l'oggetto su una scala più ampia è il modo più appropriato per studiare o prevedere il movimento del calore.

Matematica della corrente termica

Poiché la corrente di calore rappresenta il flusso di energia termica nel tempo, puoi pensarci come una piccola quantità di energia termica, dQ (Q è la variabile comunemente usata per rappresentare l'energia termica), trasmessa per un breve lasso di tempo, dt. Usando la variabile H per rappresentare la corrente di calore, questo ti dà l'equazione:

H = dQ / dt

Se hai effettuato il pre-calcolo o il calcolo, potresti capire che un tasso di cambiamento come questo è un esempio lampante di quando vorresti prendere un limite mentre il tempo si avvicina allo zero. Sperimentalmente, puoi farlo misurando il cambiamento di calore a intervalli di tempo sempre più piccoli.

Esperimenti condotti per determinare la corrente di calore hanno identificato la seguente relazione matematica:

H = dQ / dt = kA (T_H - T_C) / L

Potrebbe sembrare una serie intimidatoria di variabili, quindi suddividiamole (alcune delle quali sono già state spiegate):

• H: corrente di calore
• dQ: piccola quantità di calore trasferito nel tempo dt
• dt: piccolo lasso di tempo durante il quale dQ è stato trasferito
• K: conducibilità termica del materiale
• UN: area della sezione trasversale dell'oggetto
• T_H - T_C: la differenza di temperatura tra le temperature più calde e più fredde nel materiale
• L: la lunghezza attraverso la quale viene trasferito il calore 

C'è un elemento dell'equazione che dovrebbe essere considerato in modo indipendente:

(T_H - T_C) / L

Questa è la differenza di temperatura per unità di lunghezza, nota come gradiente di temperatura.

Resistenza termica

In ingegneria, usano spesso il concetto di resistenza termica, R, per descrivere quanto bene un isolante termico impedisce il trasferimento del calore attraverso il materiale. Per una lastra di materiale di spessore L, la relazione per un dato materiale è R = L / K, risultante in questa relazione:

H = UN(T_H - T_C) / R