Trasmissione del calore

Lezione 14
Termologia
Cambiamenti di stato.
Dilatazioni termiche.
Trasmissione del calore.
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Cambiamenti di stati di
aggregazione
Gli stati di aggregazione della materia sono: solido, liquido
gassoso (e plasma, che però non considereremo); essi
dipendono dalle forze intermolecolari ovvero dalle distanze
intermolecolari.
L’agitazione termica, modificando tali distanze, determina
passaggi da uno stato all’altro.
Fusione
(inverso: solidificazione)
Sublimazione (inverso: brinamento)
Vaporizzazione (inverso: condensazione)
Evaporazione. Ebollizione
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Cambiamenti di stato o fase
Si hanno in corrispondenza ad assorbimento o cessione di
energia da parte del corpo
Non sempre l’energia assorbita/ceduta da un corpo
corrisponde ad una variazione di temperatura.
Cambiamento di
stato o fase:
l’energia trasferita
modifica la struttura
della sostanza
solido  liquido
liquido  gas
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Calore latente
E’ il calore necessario per cambiamento di fase.
L = calore latente (es. di fusione, di evaporazione)
Q=±mL
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Fusione: solido  liquido
Passaggio dallo stato solido a liquido
Avviene ad una temperatura caratteristica di ogni
sostanza detta temperatura di fusione e varia (di
poco) con la pressione che agisce sulla sostanza.
Per ottenere la fusione (solidificazione) deve
essere ceduta (sottratta) al corpo una ben
determinata quantità di calore: calore latente di
fusione (solidificazione).
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Sublimazione: solidovapore
In particolari situazioni il solido può passare
direttamente allo stato di vapore senza passare
per la fase liquida.
Ad esempio la canfora, la naftalina; per il processo
inverso la formazione di brina dal vapore acqueo.
Anche in questo caso è necessaria una quantità di
calore ben definita: calore latente di sublimazione
o di brinamento.
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Vaporizzazione: Liquidovapore
Avviene a tutte le temperature superiori a quella di
fusione, attraverso la superficie limite del liquido:
le molecole del liquido dotate di maggior energia
cinetica riescono a vincere le forze che le tengono
legate nel liquido e si portano nella fase gassosa.
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Evaporazione, ebollizione
Si chiama evaporazione la vaporizzazione dell’acqua in
aria.
Ebollizione è invece la vaporizzazione che avviene
anche nel liquido: si ha quando la tensione di vapore saturo
è maggiore della pressione che si esercita sulla superficie
limite del liquido.
Sulla terra e al livello del mare l’ebollizione dell’acqua
avviene a 100 0c: tensione di vapore saturo = 1 atm.
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Dilatazioni termiche
Al crescere della temperatura, le distanze intermolecolari
mediamente aumentano e quindi aumenta il volume del
corpo, ovvero questo si dilata.
In tal caso si parla di dilatazioni termiche.
Per solidi e liquidi si ha che l’aumento di volume del corpo
è proporzionale alla variazione di temperatura:
DV=l Dt
l è un coefficiente che caratterizza il materiale di cui è fatto
il corpo, detto coefficiente di dilatazione termica. La legge è
detta invece di dilatazione lineare.
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Dilatazioni termiche nei gas
Il comportamento termico dei gas dipende
fortemente dalle condizioni in cui si trovano.
Per gas perfetti (ovvero nel limite di bassa
pressione e alta temperatura) le leggi dilatazione
sono le seguenti:
Charles e Gay-Lussac: DV=a Dt
Volta e Gay Lussac: Dp=b Dt
ove a=b=1/273.16 se il gas è perfetto.
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Trasmissione del calore:
conduzione
E' essenzialmente un processo di non equilibrio che avviene senza
spostamento di materia. Dipende dall'esistenza di una differenza di
temperatura tra punti vicini.
Date due facce parallele di area A, poste ad una distanza D x;
sia T1=T la temperatura della prima faccia e T2=T-D T la
temperatura della seconda. In condizioni stazionarie, l'energia che
fluisce per unità di tempo (potenza o corrente termica) dalla faccia 1
alla faccia 2 è regolata dalla Legge di Fourier:
ove K è una costante che dipende dal materiale, detta conducibilità
termica. N.B. H si misura in Watt. Per L'argento (il miglior conduttore)
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Trasmissione del calore:
convezione
Si dice che in un fluido c'e' trasferimento di calore per convezione quando
il fluido stesso si muove.
L'ipotesi fondamentale è che vicino ad una superficie calda ci sia uno
strato di fluido immobile ed al di là di questo la temperatura diminuisca
(quasi) linearmente.
Pensiamo alle perdite di calore di un solido immerso in un fluido.
Il flusso di calore perduto dal corpo per convezione (naturale) è regolato
dalla legge:
dove T è la temperatura del corpo, T0 è la temperatura del fluido, lontano
dallo strato immobile (temperatura dell'ambiente) ed h è una costante
di proporzionalità opportuna.
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Esempio di convezione: l’energia è trasferita
Mediante il movimento di una sostanza (aria)
Riscaldata.
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Trasmissione del calore:
irraggiamento
Ogni corpo caldo emette energia sotto forma di radiazione
elettromagnetica. La radiazione termica (o radiazione infrarossa IR)
corrisponde a lunghezze d'onda da 1 a 100 micron.
In generale due corpi A e B scambiano tra loro energia sotto forma di
calore irradiato finchè le rispettive temperature si eguagliano, anche
quando non vi è possibilità di conduzione o convezione.
Osserviamo che se A emette più radiazione di B, affinchè si eguaglino le
temperature, A deve assorbire più radiazione di B, cioè i buoni
conduttori devono essere anche buoni assorbitori.
L'assorbitore più efficiente si chiama corpo nero.
La pelle umana, benchè per certi intervalli ristretti di lunghezze d'onda
presenti una riflettività anomalmente alta, con buona approssimazione
è un corpo nero.
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Corpo nero
Il potere emissivo totale e di un corpo è definito come l'energia raggiante
totale, corrispondente a tutto l'intervallo di lunghezze d'onda emesse dal
corpo, per unità di tempo e per unità di superficie.
Per un corpo nero si ha la legge di Stefan-Boltzmann:
ove
è detta costante di Stefan.
Per un qualunque altro corpo il potere emissivo totale è una frazione
di
ove e è l'emissività del corpo.
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Corpo nero
L'emissione di radiazione da parte di un corpo ha luogo anche se non
esiste alcuna differenza di temperatura tra il corpo e l‘ambiente.
In questo caso il corpo assorbe esattamente tanta energia radiante
quanta ne emette e non si osserva alcuna differenza di temperatura.
Se invece un corpo a temperatura T è circondato da una ambiente a
temperatura T0<T, esiste un flusso netto di radiazione verso l'esterno
pari a
es (T4-T04),
per unità di tempo e di superficie.
La forte dipendenza dalla temperatura del tasso di emissione di calore
radiante implica che la radiazione termica da parte della pelle sia un utile
strumento diagnostico (Es. termogramma per l'identificazione del tumore
della tiroide).
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