La Trasmissione del Calore Considerazioni preliminari
annuncio pubblicitario
La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità La Trasmissione del Calore Considerazioni preliminari Le differenti modalità della trasmissione del calore FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari Gianpaolo Ruocco — Università degli studi della Basilicata http://www.CFDfood.org Anno Accademico 2010/11 FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità La trasmissione del calore, già esaminata nella Fisica Tecnica Quando esiste un gradiente di temperatura in un sistema o quando due sistemi a temperatura diversa vengono posti a contatto, si ha trasferimento di energia nella forma calore. Questo calore in transito non può essere misurato od osservato direttamente, ma possono essere osservati e misurati gli effetti da esso prodotti. Come visto in Fisica Tecnica, il transito del calore (cosı̀ come per il lavoro) attraverso la SC del sistema comporta una variazione della sua energia interna FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità La trasmissione del calore, già esaminata nella Fisica Tecnica Quando esiste un gradiente di temperatura in un sistema o quando due sistemi a temperatura diversa vengono posti a contatto, si ha trasferimento di energia nella forma calore. Questo calore in transito non può essere misurato od osservato direttamente, ma possono essere osservati e misurati gli effetti da esso prodotti. Come visto in Fisica Tecnica, il transito del calore (cosı̀ come per il lavoro) attraverso la SC del sistema comporta una variazione della sua energia interna FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità La trasmissione del calore, già esaminata nella Fisica Tecnica Quando esiste un gradiente di temperatura in un sistema o quando due sistemi a temperatura diversa vengono posti a contatto, si ha trasferimento di energia nella forma calore. Questo calore in transito non può essere misurato od osservato direttamente, ma possono essere osservati e misurati gli effetti da esso prodotti. Come visto in Fisica Tecnica, il transito del calore (cosı̀ come per il lavoro) attraverso la SC del sistema comporta una variazione della sua energia interna FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità La trasmissione del calore, già esaminata nella Fisica Tecnica Tutti i processi di trasmissione del calore comportano lo scambio e la conversione di energia e devono quindi obbedire alla prima e seconda legge della termodinamica, ma le leggi fisiche particolari della trasmissione del calore non possono essere dedotte da queste leggi: l’approccio utilizzato nella Fisica Tecnica, cosı̀ come comunemente fatto in ambito tecnico, consente unicamente lo studio di stati di equilibrio termodinamico, ed essendo il flusso di calore il risultato di uno squilibrio di temperatura, la sua trattazione quantitativa deve basarsi su una differente disciplina FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità La trasmissione del calore, già esaminata nella Fisica Tecnica Tutti i processi di trasmissione del calore comportano lo scambio e la conversione di energia e devono quindi obbedire alla prima e seconda legge della termodinamica, ma le leggi fisiche particolari della trasmissione del calore non possono essere dedotte da queste leggi: l’approccio utilizzato nella Fisica Tecnica, cosı̀ come comunemente fatto in ambito tecnico, consente unicamente lo studio di stati di equilibrio termodinamico, ed essendo il flusso di calore il risultato di uno squilibrio di temperatura, la sua trattazione quantitativa deve basarsi su una differente disciplina FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità La trasmissione del calore, già esaminata nella Fisica Tecnica Tutti i processi di trasmissione del calore comportano lo scambio e la conversione di energia e devono quindi obbedire alla prima e seconda legge della termodinamica, ma le leggi fisiche particolari della trasmissione del calore non possono essere dedotte da queste leggi: l’approccio utilizzato nella Fisica Tecnica, cosı̀ come comunemente fatto in ambito tecnico, consente unicamente lo studio di stati di equilibrio termodinamico, ed essendo il flusso di calore il risultato di uno squilibrio di temperatura, la sua trattazione quantitativa deve basarsi su una differente disciplina FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità La trasmissione del calore, già esaminata nella Fisica Tecnica Tutti i processi di trasmissione del calore comportano lo scambio e la conversione di energia e devono quindi obbedire alla prima e seconda legge della termodinamica, ma le leggi fisiche particolari della trasmissione del calore non possono essere dedotte da queste leggi: l’approccio utilizzato nella Fisica Tecnica, cosı̀ come comunemente fatto in ambito tecnico, consente unicamente lo studio di stati di equilibrio termodinamico, ed essendo il flusso di calore il risultato di uno squilibrio di temperatura, la sua trattazione quantitativa deve basarsi su una differente disciplina FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Il problema al centro della trasmissione del calore, o scambio termico Da un punto di vista tecnico-ingegneristico, assegnati una superficie di controllo SC e un volume di controllo V C, i problemi essenziali della trasmissione del calore sono la determinazione della potenza termica trasmessa per una determinata differenza di temperatura attraverso la SC, e la determinazione della distribuzione della temperatura sulla SC o nel V C Molte sono le grandezze, i parametri di interesse delle tecnologie che riguardano i substrati, i liquidi alimentari e biotecnologici che dipendono fortemente dal valore della temperatura e del calore scambiato FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Il problema al centro della trasmissione del calore, o scambio termico Da un punto di vista tecnico-ingegneristico, assegnati una superficie di controllo SC e un volume di controllo V C, i problemi essenziali della trasmissione del calore sono la determinazione della potenza termica trasmessa per una determinata differenza di temperatura attraverso la SC, e la determinazione della distribuzione della temperatura sulla SC o nel V C Molte sono le grandezze, i parametri di interesse delle tecnologie che riguardano i substrati, i liquidi alimentari e biotecnologici che dipendono fortemente dal valore della temperatura e del calore scambiato FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Il problema al centro della trasmissione del calore, o scambio termico Da un punto di vista tecnico-ingegneristico, assegnati una superficie di controllo SC e un volume di controllo V C, i problemi essenziali della trasmissione del calore sono la determinazione della potenza termica trasmessa per una determinata differenza di temperatura attraverso la SC, e la determinazione della distribuzione della temperatura sulla SC o nel V C Molte sono le grandezze, i parametri di interesse delle tecnologie che riguardano i substrati, i liquidi alimentari e biotecnologici che dipendono fortemente dal valore della temperatura e del calore scambiato FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le motivazioni di questa analisi I parametri di qualità e sicurezza del prodotto di nostro interesse risultano quindi essere fortemente dipendenti dalla distribuzione della temperatura. È altresı̀ necessaria l’analisi dettagliata della trasmissione del calore del processo dal punto di vista dello scambio termico, cosı̀ come per valutare il costo, le possibilità e le dimensioni del componente dell’impianto necessario per scambiare una certa quantità di calore in un dato intervallo di tempo. Il tempo entra con importanza nel nostro discorso: Le dimensioni delle caldaie, dei radiatori, dei refrigeratori, dei reattori e degli scambiatori di calore dipendono non solo dalla quantità di calore scambiata ma soprattutto dalla velocità alla quale il calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate Il funzionamento dei componenti di un impianto (per evitare il suo danneggiamento) dipendono dalla possibilità di raffreddare o riscaldare alcune parti di esso facendo transitare continuamente e velocemente calore attraverso le sue superfici FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le motivazioni di questa analisi I parametri di qualità e sicurezza del prodotto di nostro interesse risultano quindi essere fortemente dipendenti dalla distribuzione della temperatura. È altresı̀ necessaria l’analisi dettagliata della trasmissione del calore del processo dal punto di vista dello scambio termico, cosı̀ come per valutare il costo, le possibilità e le dimensioni del componente dell’impianto necessario per scambiare una certa quantità di calore in un dato intervallo di tempo. Il tempo entra con importanza nel nostro discorso: Le dimensioni delle caldaie, dei radiatori, dei refrigeratori, dei reattori e degli scambiatori di calore dipendono non solo dalla quantità di calore scambiata ma soprattutto dalla velocità alla quale il calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate Il funzionamento dei componenti di un impianto (per evitare il suo danneggiamento) dipendono dalla possibilità di raffreddare o riscaldare alcune parti di esso facendo transitare continuamente e velocemente calore attraverso le sue superfici FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le motivazioni di questa analisi I parametri di qualità e sicurezza del prodotto di nostro interesse risultano quindi essere fortemente dipendenti dalla distribuzione della temperatura. È altresı̀ necessaria l’analisi dettagliata della trasmissione del calore del processo dal punto di vista dello scambio termico, cosı̀ come per valutare il costo, le possibilità e le dimensioni del componente dell’impianto necessario per scambiare una certa quantità di calore in un dato intervallo di tempo. Il tempo entra con importanza nel nostro discorso: Le dimensioni delle caldaie, dei radiatori, dei refrigeratori, dei reattori e degli scambiatori di calore dipendono non solo dalla quantità di calore scambiata ma soprattutto dalla velocità alla quale il calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate Il funzionamento dei componenti di un impianto (per evitare il suo danneggiamento) dipendono dalla possibilità di raffreddare o riscaldare alcune parti di esso facendo transitare continuamente e velocemente calore attraverso le sue superfici FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le motivazioni di questa analisi I parametri di qualità e sicurezza del prodotto di nostro interesse risultano quindi essere fortemente dipendenti dalla distribuzione della temperatura. È altresı̀ necessaria l’analisi dettagliata della trasmissione del calore del processo dal punto di vista dello scambio termico, cosı̀ come per valutare il costo, le possibilità e le dimensioni del componente dell’impianto necessario per scambiare una certa quantità di calore in un dato intervallo di tempo. Il tempo entra con importanza nel nostro discorso: Le dimensioni delle caldaie, dei radiatori, dei refrigeratori, dei reattori e degli scambiatori di calore dipendono non solo dalla quantità di calore scambiata ma soprattutto dalla velocità alla quale il calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate Il funzionamento dei componenti di un impianto (per evitare il suo danneggiamento) dipendono dalla possibilità di raffreddare o riscaldare alcune parti di esso facendo transitare continuamente e velocemente calore attraverso le sue superfici FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le motivazioni di questa analisi I parametri di qualità e sicurezza del prodotto di nostro interesse risultano quindi essere fortemente dipendenti dalla distribuzione della temperatura. È altresı̀ necessaria l’analisi dettagliata della trasmissione del calore del processo dal punto di vista dello scambio termico, cosı̀ come per valutare il costo, le possibilità e le dimensioni del componente dell’impianto necessario per scambiare una certa quantità di calore in un dato intervallo di tempo. Il tempo entra con importanza nel nostro discorso: Le dimensioni delle caldaie, dei radiatori, dei refrigeratori, dei reattori e degli scambiatori di calore dipendono non solo dalla quantità di calore scambiata ma soprattutto dalla velocità alla quale il calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate Il funzionamento dei componenti di un impianto (per evitare il suo danneggiamento) dipendono dalla possibilità di raffreddare o riscaldare alcune parti di esso facendo transitare continuamente e velocemente calore attraverso le sue superfici FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le motivazioni di questa analisi I parametri di qualità e sicurezza del prodotto di nostro interesse risultano quindi essere fortemente dipendenti dalla distribuzione della temperatura. È altresı̀ necessaria l’analisi dettagliata della trasmissione del calore del processo dal punto di vista dello scambio termico, cosı̀ come per valutare il costo, le possibilità e le dimensioni del componente dell’impianto necessario per scambiare una certa quantità di calore in un dato intervallo di tempo. Il tempo entra con importanza nel nostro discorso: Le dimensioni delle caldaie, dei radiatori, dei refrigeratori, dei reattori e degli scambiatori di calore dipendono non solo dalla quantità di calore scambiata ma soprattutto dalla velocità alla quale il calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate Il funzionamento dei componenti di un impianto (per evitare il suo danneggiamento) dipendono dalla possibilità di raffreddare o riscaldare alcune parti di esso facendo transitare continuamente e velocemente calore attraverso le sue superfici FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità L’importante dipendenza dal tempo Nella soluzione di problemi di trasmissione del calore occorre non solo individuare le inerenti modalità di scambio termico ma anche stabilire se il processo è a regime stazionario o instazionario (transitorio): Quando la potenza termica in un sistema non varia nel tempo, cioé è costante, la temperatura in ciascun punto non cambia e si hanno condizioni stazionarie: in qualsiasi punto del sistema la potenza termica entrante deve essere esattamente uguale alla potenza termica uscente e non si ha alcuna variazione dell’energia La trasmissione del calore in un sistema avviene in condizioni di regime instazionario quando la temperatura in qualche punto varia nel tempo. Una variazione di temperatura sta ad indicare una variazione di energia interna, per cui tutti i problemi in cui si verifica un flusso non a regime determinano un aumento o una diminuzione del contenuto di energia FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità L’importante dipendenza dal tempo Nella soluzione di problemi di trasmissione del calore occorre non solo individuare le inerenti modalità di scambio termico ma anche stabilire se il processo è a regime stazionario o instazionario (transitorio): Quando la potenza termica in un sistema non varia nel tempo, cioé è costante, la temperatura in ciascun punto non cambia e si hanno condizioni stazionarie: in qualsiasi punto del sistema la potenza termica entrante deve essere esattamente uguale alla potenza termica uscente e non si ha alcuna variazione dell’energia La trasmissione del calore in un sistema avviene in condizioni di regime instazionario quando la temperatura in qualche punto varia nel tempo. Una variazione di temperatura sta ad indicare una variazione di energia interna, per cui tutti i problemi in cui si verifica un flusso non a regime determinano un aumento o una diminuzione del contenuto di energia FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità L’importante dipendenza dal tempo Nella soluzione di problemi di trasmissione del calore occorre non solo individuare le inerenti modalità di scambio termico ma anche stabilire se il processo è a regime stazionario o instazionario (transitorio): Quando la potenza termica in un sistema non varia nel tempo, cioé è costante, la temperatura in ciascun punto non cambia e si hanno condizioni stazionarie: in qualsiasi punto del sistema la potenza termica entrante deve essere esattamente uguale alla potenza termica uscente e non si ha alcuna variazione dell’energia La trasmissione del calore in un sistema avviene in condizioni di regime instazionario quando la temperatura in qualche punto varia nel tempo. Una variazione di temperatura sta ad indicare una variazione di energia interna, per cui tutti i problemi in cui si verifica un flusso non a regime determinano un aumento o una diminuzione del contenuto di energia FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore Lo scambio termico non è regolato da un’unica relazione ma piuttosto da una combinazione di diverse leggi fisiche indipendenti, distinguendo tre differenti modalità di trasmissione del calore: (1) conduzione (2) convezione (3) irraggiamento Rivediamo quindi i relativi concetti FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore Lo scambio termico non è regolato da un’unica relazione ma piuttosto da una combinazione di diverse leggi fisiche indipendenti, distinguendo tre differenti modalità di trasmissione del calore: (1) conduzione (2) convezione (3) irraggiamento Rivediamo quindi i relativi concetti FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore Lo scambio termico non è regolato da un’unica relazione ma piuttosto da una combinazione di diverse leggi fisiche indipendenti, distinguendo tre differenti modalità di trasmissione del calore: (1) conduzione (2) convezione (3) irraggiamento Rivediamo quindi i relativi concetti FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore Osserviamo questa scena, in cui un gruppo di persone (il mezzo considerato, oggetto dell’analisi) sta lavorando per portare e versare l’acqua (il calore che si sta trasmettendo) dal pozzo dove è stata emunta, sull’incendio che è scoppiato nella cascina (la differenza di “potenziale” cioé di presenza di acqua tra il pozzo e la cascina rappresenta la differenza di temperatura) FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore (1) Consideriamo il fatto che le persone si passano a mano il secchio con l’acqua: ciò equivale alla trasmissione del calore per conduzione. Questo è un fenomeno per cui il calore fluisce da una regione a temperatura maggiore verso una regione a temperatura minore attraverso un solo mezzo (solido, liquido o aeriforme) o attraverso mezzi diversi posti a diretto contatto fisico FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore (1) Conduzione. L’energia si trasmette cosı̀ per contatto diretto tra le molecole senza che si spostino sensibilmente. Secondo la teoria cinetica, la temperatura di un elemento materiale è proporzionale all’energia cinetica media delle sue molecole e l’energia interna rappresenta la somma di tutti i contributi microscopici di energia associati alle molecole costituenti il sistema (velocità e posizione relativa) FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore (1) Conduzione. Quando le molecole di una regione acquistano un’energia cinetica media maggiore di quella delle molecole di una regione adiacente, come indicato da una differenza di temperatura, le molecole aventi maggiore energia cedono parte di questa alle molecole della regione a temperatura minore (nei fluidi, ciò avviene per urto elastico, nei metalli per diffusione degli elettroni più veloci da regioni a temperatura maggiore verso regioni a temperatura minore) FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore cascina in fiamme 3 (1) Conduzione. L’effetto rilevabile della conduzione è un livellamento della temperatura. Però, se con addizioni o sottrazioni di calore in punti diversi vengono mantenute delle differenze di temperatura, si stabilisce un flusso continuo di calore dalla regione più calda alla regione più fredda FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore (2) Consideriamo poi il fatto che una persona può correre, dal pozzo alla cascina, portando con sé il secchio dell’acqua: ciò equivale alla trasmissione del calore per convezione. Questo è un fenomeno per cui il calore viene trasmesso da una regione a temperatura maggiore verso una regione a temperatura minore mediante l’azione combinata della conduzione, dell’accumulo di energia e del mescolamento; è la più importante modalità di scambio di energia tra una superficie solida ed un fluido FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore (2) Convezione. Da una superficie (più calda del fluido a contatto) il calore è trasmesso dapprima per conduzione alle particelle di fluido adiacenti (facendone aumentare l’energia interna e la temperatura), poi queste si muovono verso una regione del fluido più fredda e si mescolano con esso cedendo parte della loro energia ad altre particelle. Si ha quindi flusso tanto di materia quanto di energia, l’energia è cioé effettivamente immagazzinata nelle particelle ed è asportata dal loro moto FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore cascina in fiamme (2) Convezione. Possiamo distinguere tra convezione libera o naturale e convezione forzata, secondo la causa che determina il moto. Nel primo caso, il moto dipende unicamente da differenze di densità dovute a gradienti di temperatura; nel secondo, il moto è indotto da qualche agente esterno, una pompa o un ventilatore FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore cascina in fiamme 3 (2) Convezione. Anche i processi di scambio termico che implicano cambiamenti di fase sono considerati convettivi a causa del moto del fluido indotto: ad es. l’ascesa di bolle di vapore durante l’ebollizione o la caduta di goccioline di liquido durante la condensazione FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore cascina in fiamme (2) Convezione. Poichè l’efficacia dello scambio termico convettivo dipende in gran misura dal moto del fluido, lo studio della convezione è dunque basato sulla conoscenza delle sue caratteristiche fluidodinamiche: solo dopo la determinazione del campo di velocità è possibile determinare il campo di temperatura FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore (3) Consideriamo infine che l’acqua può essere diretta con un ugello, indipendentemente dal mezzo attraversato (non vi sono persone coinvolte alla trasmissione) direttamente sull’incendio: ciò equivale alla trasmissione del calore per radiazione o irraggiamento. Questo è un fenomeno per cui il calore viene trasmesso da un corpo a temperatura maggiore verso un corpo a temperatura minore quando i corpi non sono a contatto, anche se tra essi c’è il vuoto FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore cascina in fiamme (3) Irraggiamento. Il termine “irraggiamento” si riferisce in generale a qualunque fenomeno di propagazione di onde elettromagnetiche, ma interessano lo scambio termico solo quei fenomeni dipendenti dalla temperatura, i quali consentono il trasporto di energia attraverso un mezzo trasparente o attraverso il vuoto FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore (3) Irraggiamento. Tutti i corpi emettono continuamente calore per irraggiamento e l’intensità dell’emissione dipende dalla temperatura e dalla natura della superficie. L’energia raggiante viaggia alla velocità della luce (3 × 108 m/s) e presenta una fenomenologia simile a quella della radiazione luminosa; infatti la luce (radiazione visibile per l’occhio umano) è caratterizzata da frequenze appartenenti allo stesso spettro, più ampio, dell’irraggiamento termico. Pertanto questo può essere descritto con la teoria delle onde FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore (3) Irraggiamento. Secondo questa teoria, il calore irraggiato è emesso da un corpo sotto forma di quantità finite o quanti di energia; per analogia con la radiazione luminosa, esso presenta sia effetti di interferenza (natura ondosa) che l’effetto fotoelettrico (natura particellare). Quando le radiazioni incontrano un altro corpo, la loro energia resta assorbita solo in prossimità della superficie FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari cascina in fiamme 3 acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Le modalità di trasmissione del calore cascina in fiamme 3 (3) Irraggiamento. Lo scambio termico per irraggiamento diventa sempre più importante al crescere della temperatura di un corpo, ma nei problemi tecnici in cui le temperature siano prossime a quella atmosferica (ambientale) l’irraggiamento può spesso essere trascurato FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari acqua dal pozzo 1 2 La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Modalità e meccanismo fisico Solo la conduzione e l’irraggiamento possono in realtà essere classificati come processi di scambio termico perché solo questi due meccanismi dipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. La convezione infatti dipende anche dal trasporto della quantità di moto (meccanica dei fluidi), ma poiché comporta anch’essa la trasmissione di energia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperatura inferiore, ne è invalsa l’inclusione nelle modalità di scambio termico. Ciascuna di queste tre modalità può essere descritta e studiata separatamente, ma nella maggior parte dei fenomeni naturali il calore fluisce non secondo una solo ma secondo più modalità contemporaneamente. Si deve dunque saper valutare l’importanza relativa delle varie forme di trasmissione del calore poiché nella pratica, quando una modalità è predominante, possono effettuarsi utili approssimazioni trascurando le altre; tuttavia un cambiamento delle condizioni esterne può richiedere di tenere conto di una o di ambedue le modalità precedentemente trascurate FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Modalità e meccanismo fisico Solo la conduzione e l’irraggiamento possono in realtà essere classificati come processi di scambio termico perché solo questi due meccanismi dipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. La convezione infatti dipende anche dal trasporto della quantità di moto (meccanica dei fluidi), ma poiché comporta anch’essa la trasmissione di energia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperatura inferiore, ne è invalsa l’inclusione nelle modalità di scambio termico. Ciascuna di queste tre modalità può essere descritta e studiata separatamente, ma nella maggior parte dei fenomeni naturali il calore fluisce non secondo una solo ma secondo più modalità contemporaneamente. Si deve dunque saper valutare l’importanza relativa delle varie forme di trasmissione del calore poiché nella pratica, quando una modalità è predominante, possono effettuarsi utili approssimazioni trascurando le altre; tuttavia un cambiamento delle condizioni esterne può richiedere di tenere conto di una o di ambedue le modalità precedentemente trascurate FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Modalità e meccanismo fisico Solo la conduzione e l’irraggiamento possono in realtà essere classificati come processi di scambio termico perché solo questi due meccanismi dipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. La convezione infatti dipende anche dal trasporto della quantità di moto (meccanica dei fluidi), ma poiché comporta anch’essa la trasmissione di energia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperatura inferiore, ne è invalsa l’inclusione nelle modalità di scambio termico. Ciascuna di queste tre modalità può essere descritta e studiata separatamente, ma nella maggior parte dei fenomeni naturali il calore fluisce non secondo una solo ma secondo più modalità contemporaneamente. Si deve dunque saper valutare l’importanza relativa delle varie forme di trasmissione del calore poiché nella pratica, quando una modalità è predominante, possono effettuarsi utili approssimazioni trascurando le altre; tuttavia un cambiamento delle condizioni esterne può richiedere di tenere conto di una o di ambedue le modalità precedentemente trascurate FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Modalità e meccanismo fisico Solo la conduzione e l’irraggiamento possono in realtà essere classificati come processi di scambio termico perché solo questi due meccanismi dipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. La convezione infatti dipende anche dal trasporto della quantità di moto (meccanica dei fluidi), ma poiché comporta anch’essa la trasmissione di energia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperatura inferiore, ne è invalsa l’inclusione nelle modalità di scambio termico. Ciascuna di queste tre modalità può essere descritta e studiata separatamente, ma nella maggior parte dei fenomeni naturali il calore fluisce non secondo una solo ma secondo più modalità contemporaneamente. Si deve dunque saper valutare l’importanza relativa delle varie forme di trasmissione del calore poiché nella pratica, quando una modalità è predominante, possono effettuarsi utili approssimazioni trascurando le altre; tuttavia un cambiamento delle condizioni esterne può richiedere di tenere conto di una o di ambedue le modalità precedentemente trascurate FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Modalità e meccanismo fisico Solo la conduzione e l’irraggiamento possono in realtà essere classificati come processi di scambio termico perché solo questi due meccanismi dipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. La convezione infatti dipende anche dal trasporto della quantità di moto (meccanica dei fluidi), ma poiché comporta anch’essa la trasmissione di energia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperatura inferiore, ne è invalsa l’inclusione nelle modalità di scambio termico. Ciascuna di queste tre modalità può essere descritta e studiata separatamente, ma nella maggior parte dei fenomeni naturali il calore fluisce non secondo una solo ma secondo più modalità contemporaneamente. Si deve dunque saper valutare l’importanza relativa delle varie forme di trasmissione del calore poiché nella pratica, quando una modalità è predominante, possono effettuarsi utili approssimazioni trascurando le altre; tuttavia un cambiamento delle condizioni esterne può richiedere di tenere conto di una o di ambedue le modalità precedentemente trascurate FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Modalità e meccanismo fisico Solo la conduzione e l’irraggiamento possono in realtà essere classificati come processi di scambio termico perché solo questi due meccanismi dipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. La convezione infatti dipende anche dal trasporto della quantità di moto (meccanica dei fluidi), ma poiché comporta anch’essa la trasmissione di energia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperatura inferiore, ne è invalsa l’inclusione nelle modalità di scambio termico. Ciascuna di queste tre modalità può essere descritta e studiata separatamente, ma nella maggior parte dei fenomeni naturali il calore fluisce non secondo una solo ma secondo più modalità contemporaneamente. Si deve dunque saper valutare l’importanza relativa delle varie forme di trasmissione del calore poiché nella pratica, quando una modalità è predominante, possono effettuarsi utili approssimazioni trascurando le altre; tuttavia un cambiamento delle condizioni esterne può richiedere di tenere conto di una o di ambedue le modalità precedentemente trascurate FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Presentazione delle tre modalità di scambio termico Il materiale presentato in questo corso, per avvalersi delle analogie con quanto esposto finora, sarà sezionato adeguatamente in 3 parti, ma diversa sarà la sequenza della presentazione dei livelli molecolare/microscopico/macroscopico. Infine, solo un trattamento elementare sarà fatto per l’irraggiamento, a causa del ridotto numero di crediti attribuito al corso FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Presentazione delle tre modalità di scambio termico Il materiale presentato in questo corso, per avvalersi delle analogie con quanto esposto finora, sarà sezionato adeguatamente in 3 parti, ma diversa sarà la sequenza della presentazione dei livelli molecolare/microscopico/macroscopico. Infine, solo un trattamento elementare sarà fatto per l’irraggiamento, a causa del ridotto numero di crediti attribuito al corso FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Presentazione delle tre modalità di scambio termico Il materiale presentato in questo corso, per avvalersi delle analogie con quanto esposto finora, sarà sezionato adeguatamente in 3 parti, ma diversa sarà la sequenza della presentazione dei livelli molecolare/microscopico/macroscopico. Infine, solo un trattamento elementare sarà fatto per l’irraggiamento, a causa del ridotto numero di crediti attribuito al corso FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari La natura del calore Ruolo della trasmissione del calore Le modalità di trasmissione del calore Le loro particolarità Considerazioni preliminari sulla Trasmissione del Calore FINE FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari
