Fisica dello scambio termico

In fisica esistono tre meccanismi distinti per cui si può verificare uno scambio di calore tra corpi diversi:

  • conduzione
  • convezione
  • irraggiamento.

Uno dei tre meccanismi può avere un’influenza predominante sugli atri ma molto spesso si trovano tutti e tre  presenti contemporaneamente.

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Conduzione

Lo scambio di calore per conduzione si verifica tra corpi (o parti dello stesso corpo) aventi temperatura diversa, senza che vi sia movimento di materia. E’ il caso di una parete avente una superficie ed uno spessore determinati (S ed s), dove nella faccia della parete interna misuriamo una temperatura ambiente, mentre nella parte esterna, misuriamo una temperatura più bassa. L’intensità dell’energia termica che attraversa la parete è proporzionale alla differenza di temperatura  (∆t = ti – te) tra le due facce della parete e dipende dalle caratteristiche di quest’ultima (che vengono identificate con un coefficiente di trasmissione del calore λ lambda) .

Il flusso sarà tanto più elevato

  • quanto maggiore sarà la superficie della parete
  • quanto minore è il suo spessore
  • quanto più grande risulta la costante λ.

ovvero trasmetteremo maggior calore quanto maggiore è la differenza di temperatura, quanto maggiore è la superficie di scambio, quanto minore è lo spessore di questa superficie, quanto maggiore è il coefficiente di trasmissione o conducibilità termica.

Il coefficiente di conducibilità termica (λ) dipende dalla natura dei materiali.

  • buoni conduttori i metalli
  • cattivi conduttori le sostanze non metalliche
  • pessimi conduttori i liquidi in genere e soprattutto i gas (aria per esempio).

Possiamo concludere con una formula riassuntiva della conduzione:

Q =( λ * S * (t1-t2)) / s

Convezione

Lo scambio di calore per convezione si ha quando c’è uno scambio di calore tra una parete fissa riscaldata e un fluido in movimento. Infatti, in questo meccanismo, oltre a un flusso di calore, troviamo anche un effettivo movimento di materia, che da vita a dei moti convettivi. Essi sono dovuti al fatto che gli strati più caldi di un fluido si dilatano acquistando una densità inferiore rispetto a quella degli strati più freddi. Il fluido caldo (più leggero) tenderà a salire verso l’alto, mentre quello freddo (più pesante) tenderà ad andare verso il basso.

Questo tipo di sistema veniva applicato nei vecchi impianti di riscaldamento, dove non venivano installate pompe di circolazione, affidandosi ai moti convettivi per distribuire l’acqua calda ai termosifoni. Viene utilizzato ancora oggi in particolari applicazioni, nella refrigerazione su impianti ad ammoniaca, dove il fluido viene fatto circolare ad effetto “termosifone”.

Il coefficiente di convezione viene indicato con la lettera “c” Possiamo riassumere il meccanismo della conduzione con la seguente formula:

Q = c  S  ∆t

Irraggiamento

Esiste un terzo meccanismo che, a differenza degli altri due, non richiede la necessaria presenza di materia.

Tutti i corpi caldi emettono particolari radiazioni (raggi infrarossi) che si possono trasmettere anche attraverso il vuoto, quindi senza presenza di materia.

Se questi raggi colpiscono un corpo più freddo di quello che li ha generati, vengono in parte assorbiti e si ha in questo modo uno scambio termico. La quantità di calore trasmessa per irraggiamento da un corpo caldo è influenzata dalla sua temperatura e dalla natura della superficie del corpo più freddo. Superfici scure ad esempio assorbono per intero la radiazione per irraggiamento, mentre superfici bianche o riflettenti (a specchio) la riflettono in quasi totalmente. Il coefficiente di irraggiamento viene indicato con la lettera “i”.

Riassumiamo il meccanismo di irraggiamento con la seguente formula:

Q = i  s  ∆t