Quando studiamo i processi di trasferimento del calore che avvengono in due corpi di diversa temperatura, stiamo facendo uno studio qualitativo del trasferimento di calore che può avvenire per conduzione, irraggiamento e convezione. Tuttavia, quando facciamo questo tipo di studio, non ci interessa determinare il valore della quantità di calore che viene trasferita da un corpo all'altro. Impareremo quindi a calcolare la quantità di calore coinvolta nei processi di conduzione e irraggiamento.
Guida
Flusso di calore tra due corpi
Consideriamo due corpi con diverse temperature T1 e T2, essendo T2>T1. Se uniamo questi due corpi con una barra metallica di sezione uniforme A e lunghezza L, si verificherà la conduzione del calore del corpo più grande. temperatura per il corpo a temperatura più bassa, determinando che ΔQ è la quantità di calore che passa attraverso la barra in un dato intervallo di tempo t. Il quoziente tra la quantità di calore e l'intervallo di tempo si chiama flusso di calore, che è rappresentato dalla lettera greca fi (Φ) e matematicamente può essere scritto come segue:
Se la sbarra metallica che collega i due corpi è circondata da un isolante, si verifica che dopo un certo tempo questa sbarra raggiunga la situazione detta stato stazionario, che è caratterizzato dall'avere lo stesso flusso di calore in qualsiasi punto della barra. In conseguenza di ciò, la barra raggiunge una temperatura costante in tutta la barra e non cambia nel tempo.
Sperimentalmente è possibile verificare che il flusso di calore è:
• Direttamente proporzionale all'area della sezione della barra che unisce i due corpi;
• Direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra i due corpi;
• Inversamente proporzionale alla lunghezza della barra che unisce i corpi.
Unendo questi tre controlli e introducendo una costante di proporzionalità, possiamo scrivere la seguente equazione matematica:
Dove K è una caratteristica costante del materiale che compone la barra e si chiama conduttività termica. Maggiore è il valore di questa costante, maggiore è il flusso di calore che conduce la barra.
Radiazione
Sappiamo che il trasferimento di calore per conduzione e convezione richiede la presenza di un mezzo materiale perché avvenga. Con il processo di irraggiamento accade il contrario, cioè questo processo non ha bisogno di un mezzo per il avviene il trasferimento di calore tra due corpi, come ad esempio il trasferimento di calore tra il Sole e Terra.
In generale, quando un vetro riceve una certa quantità di energia radiante, ad esempio la radiazione del sole, il corpo assorbe una parte di questa radiazione e il resto viene riflessa. Sappiamo che i corpi oscuri hanno la capacità di assorbire più energia radiante rispetto ai corpi chiari.
Consideriamo un corpo la cui superficie esterna ha area A, e che emette attraverso quell'area una radiazione totale di potenza P, che è l'energia irradiata per unità di tempo su tutto superficie. La seguente relazione matematica è chiamata radianza o potere emissivo (R) di un corpo:
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R = P/A
E la sua unità nel Sistema Internazionale di Unità è W/m2.
Tuttavia, a metà del XX secolo, gli scienziati austriaci J. Stefano e L. Boltzmann arrivò, sperimentalmente, alla conclusione che la radianza di un corpo è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura in Kelvin, cioè R = σT4. Dove σ è detta costante di Stefan-Boltzmann e vale per SI σ = 5,67 x 10-8W/m2K4. Questo è stato verificato per un corpo reale, cioè corpi che assorbono o riflettono completamente tutte le radiazioni. Quando il corpo non è reale, l'equazione descritta da Stefan-Baltzmann è aggiunta da una costante chiamata emissività, quindi: R = еσT4. Questo è Legge di Stefan-Boltzmann e attraverso di essa possiamo calcolare la radianza di qualsiasi corpo quando conosciamo la sua temperatura e la sua emissività.
di MARCO Aurélio da Silva
Squadra scolastica brasiliana
Termologia - Fisica - Brasile Scuola
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SANTOS, Marco Aurelio da Silva. "Studio quantitativo del trasferimento di calore"; Brasile Scuola. Disponibile in: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/estudo-quantitativo-transferencia-calor.htm. Consultato il 27 giugno 2021.
