Conduzione, convezione e irraggiamento: 3 tipi di trasferimento di calore

Conduzione, convezione e irraggiamento sono le tre forme di trasferimento del calore. Il calore è l'energia che passa da un corpo o sistema all'altro.

Il trasferimento di calore si verifica solo quando c'è una differenza di temperatura tra due cose.

Nella conduzione, il trasferimento di calore si verifica quando un corpo o un oggetto è in contatto con un altro.

La convezione, invece, è prodotta dal movimento di gas o liquidi a diverse temperature.

Da parte sua, la radiazione è un trasferimento di calore senza che i corpi siano in contatto. Pertanto, ciò avviene attraverso l'emanazione di energia attraverso onde elettromagnetiche.

Un esempio che illustra questo sarebbe una pentola di acqua bollente: il fuoco riscalda la pentola (radiazione), il metallo della pentola riscalda l'acqua (conduzione) e l'acqua calda sale per effetto del calore (convezione).

Guida	Convezione	Radiazione
Definizione	Forma di scambio termico per contatto.	Forma di trasferimento di calore per movimento della materia.	Forma di trasferimento di calore da onde elettromagnetiche.
Direzione di trasferimento	Dalla temperatura più alta alla più bassa
Meccanismo	Movimento degli atomi all'interno di un corpo	Movimento di gas e liquidi per differenza di temperatura	Propagazione di onde elettromagnetiche nello spazio
Esempi	Il manico di una pentola di alluminio su un fornello acceso	Sistemi di riscaldamento domestico	Il calore del sole

Cos'è la conduzione del calore?

La conduzione è una forma di trasferimento di calore che si verifica quando due corpi sono in contatto o quando il calore passa da un lato all'altro dello stesso corpo. Ad esempio, se riscaldiamo un'estremità di un tondino di ferro, l'altra estremità si surriscalda dopo un po', pur non essendo a diretto contatto con la fonte di calore.

Il meccanismo di trasferimento del calore per conduzione si basa sul movimento degli atomi. All'aumentare della temperatura, gli atomi si muovono più velocemente e spingono anche gli atomi vicini, trasferendo loro calore.

La capacità dei materiali di condurre il calore è nota come conduttività termica. Ad esempio, l'aria ha una bassa conduttività proprio come il legno.

Al contrario, i metalli, come alluminio e ferro, hanno un'elevata conduttività termica. Questi materiali sono molto efficaci nel condurre il calore, in quanto hanno elettroni liberi che trasferiscono energia più velocemente dalle zone calde alle zone fredde del corpo.

Esempi di conduzione del calore

• Padella di ghisa su un fornello ardente: Il calore del bruciatore riscalda la padella che conduce il calore al resto della padella e al contenuto al suo interno.
• Ghiaccio sciolto in mano: se mettiamo un ghiaccio in mano, si scioglie per conduzione del calore corporeo.
• Piedi caldi nella sabbia: in una calda giornata di spiaggia, se camminiamo sulla sabbia calda a piedi nudi, dopo un po' ci sentiremo bruciati dalla conduzione del calore della sabbia ai nostri piedi.
• La tazza di caffè caldo: versando del caffè caldo (o altra bevanda calda) in una tazza, nel tempo sentiremo il calore nelle nostre mani. Ecco perché le tazze hanno un manico in modo che possiamo afferrarlo senza scottarci.
• Stirare i vestiti: Il ferro utilizzato per rimuovere le pieghe dagli indumenti si riscalda e conduce calore quando viene a contatto con gli indumenti.
• Il termometro: Questo strumento viene utilizzato per misurare la temperatura perché riceve o cede calore per conduzione dell'oggetto o della sostanza con cui viene a contatto.
• Cucchiaio di metallo contro cucchiaio di legno: un cucchiaio di legno conduce male il calore mentre il cucchiaio di metallo si riscalda velocemente. Ecco perché possiamo mescolare il cibo con il cucchiaio di legno, ma quando mangiamo la zuppa usiamo un cucchiaio di metallo.

Che cos'è la convezione del calore?

La convezione è la forma di trasferimento di calore prodotta dal movimento di liquidi e gas da zone calde a zone fredde. Quando un fluido viene riscaldato, diventa meno denso, facendolo salire.

È grazie al processo di convezione che si formano le nuvole: il vapore acqueo e l'aria calda sulla superficie della Terra salgono e poi si condensano come nuvole in alto. Questo tipo di convezione è naturale o libera, senza l'intervento di forze esterne.

D'altra parte, la convezione forzata si verifica quando viene applicata una forza per spostare il fluido. Questo è ciò che accade quando utilizziamo i ventilatori per spostare l'aria calda in una stanza, o quando spostiamo il contenuto di una pentola sul fornello.

Esempi di convezione termica

• Sistemi di riscaldamento domestico: l'aria a contatto con un impianto di riscaldamento si riscalda, poi risale e sposta l'aria fredda, provocando correnti d'aria.
• Il calore interno della Terra: Il nucleo della Terra è caldo e fluido, motivo per cui si producono correnti convettive che provocano terremoti ed eruzioni vulcaniche.
• Il fluido nei serbatoi di stoccaggio- Nei tubi di un riscaldatore solare, il fluido si riscalda e diventa meno denso, spostando il calore verso i fluidi più freddi.
• Forno a convezione: l'aria calda all'interno del forno circola grazie ad una ventola, che rende più uniforme la cottura dei cibi.
• Acqua bollente in una pentola: Quando mettiamo l'acqua in una pentola su un fornello acceso, l'acqua calda sul fondo sale, forzando il movimento dell'acqua fredda dalla superficie.
• Asciugacapelli: l'aria fredda entra nell'essiccatore, viene riscaldata passando attraverso una resistenza e soffia aria calda attraverso l'ugello.
• Correnti oceaniche: le acque degli oceani sono mantenute in costante movimento per convezione, l'acqua calda dei tropici si sposta verso i poli.
• Mongolfiera o mongolfiere: riscaldando l'aria, diventa meno densa, rimane intrappolata all'interno del tessuto del pallone, facendolo galleggiare. Per questo, per scendere, si apre una finestra che fa uscire l'aria calda.

Che cos'è la radiazione termica?

La radiazione è il trasferimento di calore senza contatto tra gli oggetti. Ciò avviene attraverso le onde elettromagnetiche, come la luce visibile, l'ultravioletto e l'infrarosso, che viaggiano nello spazio. La presenza di materiale non è necessaria perché si verifichi la radiazione termica.

I corpi emettono calore per irraggiamento, ma assorbono anche calore, a seconda della differenza di temperatura. Infatti, i corpi che assorbono meglio sono anche buoni emettitori. Ad esempio, una superficie nera assorbe meglio le radiazioni, ma emette anche più di una superficie bianca.

Pertanto, l'emissione dipende dalla temperatura del corpo, maggiore è la temperatura, maggiore è l'emissione di calore.

Il funzionamento di un thermos si basa sulla concentrazione della radiazione termica all'interno. Un thermos è costruito con una doppia parete di vetro senza aria tra di loro, per evitare la dispersione di calore per conduzione o convezione. La parete interna argentata riflette le radiazioni senza assorbirle, così la bevanda rimane calda più a lungo.

Esempi di radiazione termica

• Il calore del sole: la Terra riceve calore dal Sole per irraggiamento.
• Sabbia calda su una spiaggia: in una giornata estiva l'irraggiamento solare riscalda la sabbia.
• Braci di un falò: quando ci avviciniamo a un falò oa un caminetto, i carboni ardenti emanano calore radiante.
• Forno solare: i raggi del sole colpiscono una superficie che riscalda l'aria.
• Termometro a infrarossi: misura la radiazione di un corpo nel campo dell'infrarosso e la rappresenta come temperatura.
• Termocamere: le termocamere registrano il calore dei corpi emesso dalle radiazioni.
• Lettini abbronzanti: i lettini abbronzanti si basano sull'emissione di raggi ultravioletti che favoriscono l'abbronzatura della pelle. Il suo utilizzo è limitato dalla predisposizione al danno cutaneo.

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