Introduzione al trasferimento di calore Come funziona il trasferimento di calore?

Che cos'è il calore? Come avviene il trasferimento di calore? Quali sono gli effetti sulla materia quando i trasferimenti di calore da un corpo all'altro? Ecco cosa devi sapere:

Definizione del trasferimento di calore

Il trasferimento di calore è un processo mediante il quale l'energia interna da una sostanza viene trasferita ad un'altra sostanza. La termodinamica è lo studio del trasferimento di calore e dei cambiamenti che ne derivano. La comprensione del trasferimento di calore è fondamentale per analizzare un processo termodinamico, come quelli che avvengono nei motori termici e nelle pompe di calore.

Forme di trasferimento di calore

Secondo la teoria cinetica, l'energia interna di una sostanza è generata dal movimento di singoli atomi o molecole. L'energia termica è la forma di energia che trasferisce questa energia da un corpo o sistema a un altro. Questo trasferimento di calore può avvenire in diversi modi:

• Conduzione è quando il calore scorre attraverso un solido riscaldato attraverso una corrente di calore che si muove attraverso il materiale. È possibile osservare la conduzione quando si riscalda un elemento del bruciatore della stufa o una barra di metallo, che va dal rosso caldo al bianco caldo.
• Convezione è quando le particelle riscaldate trasferiscono il calore ad un'altra sostanza, come cucinare qualcosa in acqua bollente.
• Radiazione è quando il calore viene trasferito attraverso le onde elettromagnetiche, ad esempio dal sole. Le radiazioni possono trasferire calore attraverso lo spazio vuoto, mentre gli altri due metodi richiedono una qualche forma di contatto materia-materia per il trasferimento.

Affinché due sostanze si influenzino a vicenda, devono essere presenti contatto termico insieme. Se lasci il forno aperto mentre sei acceso e ti metti diversi piedi davanti, sei in contatto termico con il forno e senti il ​​calore che ti viene trasferito (per convezione attraverso l'aria).

Normalmente, ovviamente, non senti il ​​calore del forno quando sei a diversi metri di distanza, e questo perché il forno ha isolamento termico per mantenere il calore al suo interno, evitando così il contatto termico con l'esterno del forno. Questo ovviamente non è perfetto, quindi se ti trovi nelle vicinanze senti un po 'di calore dal forno.

Equilibrio termale è quando due elementi a contatto termico non trasferiscono più calore tra di loro.

Effetti del trasferimento di calore

L'effetto base del trasferimento di calore è che le particelle di una sostanza si scontrano con le particelle di un'altra sostanza. La sostanza più energetica perderà in genere energia interna (cioè "raffredda") mentre la sostanza meno energetica acquisirà energia interna (cioè "riscalda").

L'effetto più evidente di questo nella nostra vita quotidiana è una transizione di fase, in cui una sostanza cambia da uno stato della materia a un altro, come il ghiaccio che si scioglie da un solido a un liquido mentre assorbe il calore. L'acqua contiene più energia interna (cioè le molecole d'acqua si muovono più velocemente) rispetto al ghiaccio.

Inoltre, passano molte sostanze dilatazione termica o contrazione termica man mano che guadagnano e perdono energia interna. L'acqua (e altri liquidi) spesso si espande mentre si congela, cosa che chiunque abbia bevuto troppo a lungo con un tappo nel congelatore ha scoperto.

Capacità termica

Il capacità termica di un oggetto aiuta a definire come la temperatura di quell'oggetto risponde all'assorbimento o alla trasmissione del calore. La capacità termica è definita come la variazione di calore divisa per la variazione di temperatura.

Leggi della termodinamica

Il trasferimento di calore è guidato da alcuni principi di base che sono diventati noti come le leggi della termodinamica, che definiscono come il trasferimento di calore si collega al lavoro svolto da un sistema e pongono alcune limitazioni su ciò che è possibile ottenere per un sistema.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph.D.