Trasmissione del calore
Per trasmissione del calore (o scambio termico) si intende il trasferimento di calore (ovvero energia termica)[1] tra due sistemi, che è causato da una differenza di temperatura tra i due sistemi in questione. Se durante tale processo non viene prodotto calore (ad esempio attraverso reazioni chimiche), il calore ceduto da un sistema viene acquistato dal secondo sistema, in accordo con la legge di conservazione dell'energia.
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[modifica] Modalità di trasmissione del calore
La trasmissione del calore può avvenire secondo tre modalità:[2]
La conduzione avviene quando si è in presenza di un gradiente di temperatura in un mezzo stazionario, il quale può essere un solido oppure un fluido. Si parla di convezione quando la trasmissione di calore si ha tra una superficie e un fluido in movimento, i quali si trovano a temperature differenti. Lo scambio termico per irraggiamento avviene tra due superfici a differente temperatura, tramite emissione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche; l'irraggiamento avviene anche senza la presenza di un mezzo interposto, ovvero con le due superfici in questione separate dal vuoto.
Il propagarsi del calore tramite tutti e due i meccanismi di convezione e irraggiamento contemporaneamente, viene chiamato "adduzione" o "conduzione esterna".[3][4]
[modifica] Conduzione
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Per approfondire, vedi Conduzione termica. |
La conduzione è originata dall'attività molecolare e atomica; infatti può essere vista come un trasferimento di energia dalla particella di materia più energetica a quella minore, attraverso interazioni tra le particelle stesse. Il meccanismo fisico della conduzione è spiegabile considerando un gas, in cui è presente un gradiente di temperatura e dove si ipotizza l'assenza di moti macroscopici. Il gas occuperà lo spazio tra le due superfici mantenute a differente temperatura. Ad ogni punto si associa la temperatura con l'energia delle molecole del gas in prossimità del punto. Questa energia è riferita al moto casuale di traslazione, nonché a quelli di rotazione e di vibrazione delle molecole. La temperature alta è associata all'alta energia della molecole: quando queste molecole ad alta energia entrano in collisione con quelle contigue, si ha un trasferimento di energia dalle molecole più energetiche a quelle meno. Alla presenza di un gradiente lo scambio avverrà in direzione della diminuzione di temperatura. Questa discorso può essere esteso ai liquidi e ai solidi, dove la collisione delle molecole è più frequente in quanto avviene in uno spazio ancor più ridotto.
[modifica] Convezione
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Per approfondire, vedi Convezione. |
La convezione comprende due meccanismi di trasmissione dell'energia. Oltre al moto casuale delle molecole, il trasferimento si ha con moti macroscopici del fluido, con le molecole che si comportano come se facessero parte di un unico aggregato.
[modifica] Applicazioni
Dal punto di vista applicativo, la trasmissione del calore è studiata per tre attività fondamentali che sono di uso comune quasi in tutti gli impianti:
- la conservazione di calore;
- la dissipazione di calore;
- il freecooling.
[modifica] La conservazione di calore
Il calore prodotto per scaldare una casa o per generare vapore o per fondere due materiali è un calore che ha necessità di essere conservato che quindi non deve essere disperso e lo scopo dello studio delle coibentazioni è proprio quello di riuscire a trovare materiali con un coefficiente di inerzia termica adeguata al fine di contenere il calore senza disperderlo.
[modifica] La dissipazione di calore
Spesso si genera del calore in alcuni sistemi che rappresenta un danno ed un problema. Questo calore infatti deve essere dissipato (smaltito) perché manda in temperatura eccessiva il sistema. Questo è il caso dei motori endotermici che si riscaldano e devono essere raffreddati, pena la fusione dei cilindri.
[modifica] Il freecooling
Il principio del freecooling è quello del libero raffreddamento (dalla parola stessa), un esempio è l'immisione di aria esterna (non trattata ma opportunamente filtrata) che ha come compito di raffrescare degli ambienti; un secondo esempio può essere quello di portare un fluido che viene generalmente raffreddato con gruppo frigo o radcooling in batterie esterne non ventilate che sfruttino la sola convezione naturale. Questo tipo di applicazione è l'alternativa di solo raffreddamento di fluidi o ambienti che diversamente (causa le condizioni esterne che non permettono, temperatura elevata) richiedono l'utilizzo di gruppi frigo.
[modifica] La trasmissione del calore negli impianti tecnologici
La trasmissione del calore negli impianti tecnologici ha una importanza rilevante perché spesso dove si produce il calore non è il posto dove realmente serve. Nel passato, (ed in parte anche oggi) c'era il camino nelle stanze ed il problema del trasferimento del calore non esisteva in quanto il posto in cui si bruciava la legna (sorgente di calore) coincideva anche con il posto in cui vi era necessità di calore. Oggi il calore si produce con fonti di energia diverse come il carbone, l'energia elettrica, il gas, il gasolio, eccetera ed il luogo dove si produce il calore è spesso lontano per motivi di sicurezza, da dove si ha necessità. Per questo motivo la tecnologia negli anni ha studiato varie forme di vettore per trasferire il calore da una parte all'altra.
I termovettori più utilizzati nell'impiantistica per la trasmissione del calore sono:
Il calore viene ceduto attraverso delle batterie di scambio (scambiatori) al termovettore che viene spostato dalla sorgente di calore fino al posto dove questo calore serve e qui il termovettore lo cede all'ambiente attraverso un nuovo scambiatore.
[modifica] Esempio di trasmissione forzata del calore
Una caldaia a gas produce del calore attraverso la combustione di un gas (ad esempio metano). Il calore prodotto all'interno della caldaia viene ceduto attraverso una serpentina all'acqua (termovettore), che viene spinta da una pompa (circolatore) attraverso le tubazioni, fino al termosifone, in corrispondenza del quale il calore viene ceduto.
[modifica] Esempio di trasmissione naturale del calore
Una tazza di latte caldo lasciata riposare sul tavolo (in una stanza le cui finestre siano chiuse, in modo da diminuire gli effetti della convezione forzata) cede nel tempo il suo calore all'ambiente circostante, fino a raggiungere la stessa temperatura dell'ambiente.
[modifica] Note
- ^ Il calore è energia termica in transito, per cui in tale contesto i termini "calore" e "energia termica scambiata" sono equivalenti.
- ^ Felli, op. cit., pp. 3-8
- ^ Felli, op. cit., p. 7
- ^ Grillo, op. cit., p. 43
[modifica] Bibliografia
- Robert Byron; Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2a ed. (in inglese), New York, Wiley, 2005. ISBN 0-470-11539-4
- Frank P. Incropera; David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6a ed. (in inglese), Wiley, 2006. ISBN 0-471-45728-0
- Mauro Felli, Lezioni di fisica tecnica (civile e ambientale), Morlacchi Editore, 2004. ISBN 8889422149
- Nicola G. Grillo, Impianti termici alimentati da energia solare, Geva Edizioni, 2003. ISBN 8889323000
[modifica] Voci correlate
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