Propagazione del calore
Il calore tende sempre a trasmettersi dai corpi più caldi (a più alta temperatura) ai corpi più freddi (a
più bassa temperatura). Se più corpi vicini tra loro hanno differenti temperature, quelli che sono più
caldi si raffreddano (diminuiscono la propria temperatura) mentre quelli che sono più freddi si
riscaldano (aumentano la propria temperatura), finché tutti non raggiungono una temperatura
comune. Questa uguaglianza delle temperature viene raggiunta in tré modi: per conduzione, per
convezione e per irraggiamento.
Conduzione
Se teniamo una sbarra di ferro con un'estremità in una fiamma, entro un breve intervallo di tempo la
sbarra diventa troppo calda per poter essere tenuta in mano. Il calore si trasmette attraverso il
metallo con un processo detto conduzione. La conduzione del calore ha luogo all'interno di certe
sostanze e da una di queste sostanze a un'altra quando esse sono a contatto diretto. Le sostanze che
sono capaci di trasmettere meglio il calore per conduzione sono dette conduttori del calore. I
metalli sono i migliori conduttori del calore. L'argento e il rame sono i migliori di tutti, in questo
ordine, seguiti dall'alluminio e dal ferro tra i metalli comuni.
La conduzione può essere spiegata con il comportamento degli atomi all'interno della sostanza.
Nella sbarra di ferro, per esempio, la fiamma fa sì che gli atomi situati nell'estremità riscaldata della
sbarra vibrino più rapidamente. Questi atomi vibrano contro gli atomi vicini, i quali fanno a loro
volta lo stesso. Più importante è il fatto che gli elettroni liberi, che vanno alla deriva attraverso il
metallo, si muovono più rapidamente urtandosi e trasferiscono energia mediante gli urti contro
atomi e altri elettroni liberi all'interno della sbarra di metallo.
Le sostanze che sono costituite da atomi che «perdono» elettroni esterni sono buoni conduttori del
calore (oltre che dell'elettricità). I metalli, avendo gli elettroni esterni «più sciolti», sono i migliori
conduttori.
II calore prodotto da una fiamma fa sì che gli
atomi e gli elettroni liberi presenti nell'estremità
del metallo si muovano più rapidamente
urtandosi; essi, a loro volta, fanno lo stesso e
aumentano l'energia degli atomi vibranti lungo
la sbarra.
Figura 1
Se tocchiamo un pezzo di metallo e un pezzo di legno situati immediatamente vicino a noi, quale
appare più freddo al tatto e quale è realmente più freddo? Le risposte dovrebbero essere diverse. Se
le due sostanze sono vicine, esse dovrebbero avere la stessa temperatura: la temperatura ambiente.
Tuttavia, il metallo appare più freddo al tatto poiché è un migliore conduttore del calore: il calore
abbandona facilmente la nostra mano più calda e si trasferisce nel metallo più freddo. Il legno,
d'altra parte, è un cattivo conduttore del calore: soltanto una piccola quantità di calore abbandona la
nostra mano per trasferirsi nel legno e quindi la nostra mano non avverte di stare toccando qualcosa
di più freddo. Il legno, la lana, la paglia, la carta, il sughero e il polistirene (o polistirolo) sono
cattivi conduttori del calore. Invece, sono detti buoni isolanti termici poiché ritardano la
trasmissione del calore. Un cattivo conduttore del calore è un buon isolante termico.
I liquidi e i gas, in generale, sono buoni isolanti termici. L'aria, per esempio, è un pessimo
conduttore e quindi un ottimo isolante. I materiali porosi che contengono molti piccoli spazi d'aria
sono buoni isolanti. Le buone proprietà isolanti di materiali come la lana, la pelliccia e le piume
sono dovute in gran parte agli spazi d'aria che contengono. Dobbiamo essere lieti che l'aria sia un
Propagazione del calore
Pagina 1 di 9
cattivo conduttore del calore poiché, se non fosse tale, avremmo freddo in una giornata in cui la
temperatura è 25 °C!
I fiocchi di neve imprigionano una grande quantità di aria nei loro cristalli e sono buoni isolanti
termici. La neve rallenta la fuga del calore dalla superficie della Terra, protegge dal freddo le
abitazioni degli Eschimesi e offre protezione contro il freddo agli animali nelle fredde notti
invernali. La neve, come qualsiasi coperta, non è una sorgente di calore: semplicemente
impedisce al calore di fuggire troppo rapidamente.
Il calore è energia che si trasmette ed è «tangibile». II freddo no: il freddo è semplicemente
l'assenza di calore. A rigore, un conduttore o un isolante non trasmettono il «freddo». Soltanto il
calore si trasmette. Non isoliamo una casa per impedire al freddo di entrare, ma la isoliamo per
impedire al calore di uscire. Se la casa si raffredda, ciò è dovuto al fatto che il calore fugge
all'esterno.
È importante notare che nessun isolante termico è in realtà capace di impedire al calore di fuggire
attraverso di esso. Tutto ciò che un isolante termico è capace di fare è diminuire la velocità con cui
il calore lo attraversa. Anche le case meglio isolate si raffreddano gradualmente in inverno.
L'isolamento termico ritarda la trasmissione del calore.
Quesiti
1. Se teniamo un'estremità di una sbarra di metallo contro un pezzo di ghiaccio, l'estremità che
teniamo in mano si raffredda rapidamente. Il freddo si trasmette dal ghiaccio alla nostra mano?
2. Il legno è un isolante termico migliore del vetro. Tuttavia il fìberglass viene usato comunemente
per isolare le case di legno. Perché?1
La trasmissione del calore per conduzione implica la trasmissione di energia da atomo ad atomo.
L'energia si trasmette, ma gli atomi stanno fermi. Un'altra modalità di trasmissione del calore è il
movimento della sostanza riscaldata stessa. L'aria a contatto con un fornello caldo sale e riscalda la
regione sovrastante. L'acqua riscaldata in una caldaia collocata nello scantinato sale per riscaldare i
radiatori nei piani superiori. In questo processo di trasmissione del calore, detto convezione, il
calore si trasmette mediante il movimento di un fluido.
Una semplice esperienza dimostrativa illustra la differenza fra conduzione e convezione. Con un
batuffolo di lana («paglietta») d'acciaio blocchiamo un pezzette di ghiaccio sul fondo di una
provetta riempita quasi completamente d'acqua. Teniamo il fondo della provetta con la mano nuda
ed esponiamo la sommità alla fiamma di un becco Bunsen (vedi figura 3). L'acqua alla sommità si
metterà a bollire vigorosamente, mentre il ghiaccio sul fondo non si liqueferà. L'acqua calda alla
sommità ha una massa volumica minore di quella dell'acqua sottostante e rimane alla sommità della
1
1. Non è il freddo che si trasmette dal ghiaccio alla nostra mano, bensì è il calore che si trasmette dalla nostra mano al ghiaccio. Il metallo è freddo
al tatto poiché trasmettiamo calore al metallo.
2. Il fiberglass è un buon isolante, molte volte migliore del vetro, grazie all'aria che è intrappolata fra le sue fibre.
Propagazione del calore
Pagina 2 di 9
provetta. Il calore che eventualmente raggiunge il ghiaccio deve trasmettersi per conduzione, ma
l'acqua è un cattivo conduttore del calore. Se ripetiamo l'esperienza, ma questa volta tenendo la
provetta alla sommità con una pinza e riscaldando l'acqua dal disotto mentre il ghiaccio galleggia in
superficie, il ghiaccio fonde rapidamente. Il calore si trasmette rapidamente alla sommità della
provetta per convezione poiché l'acqua calda sale in superficie, trasportando con sé la propria
energia e cedendola al ghiaccio.
La convezione ha luogo in tutti i fluidi, siano essi liquidi o gas. Sia che riscaldiamo l'acqua in una
pentola sia che riscaldiamo l'aria in una stanza, il processo è lo stesso. Se il fluido viene riscaldato
dal basso, esso si dilata, diminuisce la propria massa volumica (diventa meno denso) e sale. L'aria
calda o l'acqua calda
Figura 3
Quando la provetta viene riscaldata alla sommità, la convezione viene impedita e il calore riesce a
raggiungere il ghiaccio soltanto per conduzione. Poiché l'acqua è un cattivo conduttore del calore,
l'acqua alla sommità della provetta bolle senza fondere il ghiaccio.
Figura 4 (in alto) Correnti di convezione nell'aria, (in basso) Correnti di convezione in un liquido.
salgono per la stessa ragione per cui un blocco di legno sale' nell'acqua o un pallone pieno di elio
sale nell'aria. In effetti, la convezione è un'applicazione del principio di Archimede, poiché il fluido
con la massa volumica minore, e quindi con il peso volumico minore, viene spinto verso l'alto dal
fluido circostante avente una massa volumica maggiore, e quindi un peso volumico maggiore. Il
fluido più freddo scende poi verso il fondo, e il processo continua. In questo modo, le correnti di
convezione mantengono in agitazione un fluido mentre esso si riscalda.
Propagazione del calore
Pagina 3 di 9
Venti
I venti sono dovuti a correnti di convezione che agitano l'atmosfera. Alcune parti della superficie
della Terra assorbono calore dal Sole più facilmente di altre e ciò causa un riscaldamento non
uniforme dell'aria vicino alla superficie, creando correnti di convezione.
Le correnti di convezione sono evidenti lungo la costa del mare. Durante il giorno, la costa si
riscalda più facilmente dell'acqua. L'aria sopra la costa si riscalda più rapidamente dell'aria sopra
l'acqua e si espande verso l'alto. A una data quota, per esempio a 100 m, sopra la costa, la quantità
d'aria che preme verso il basso dall'alto è ora maggiore della quantità d'aria che è sopra l'acqua alla
stessa quota (figura 5a). Perciò, a quella quota la pressione dell'aria sopra la costa è maggiore di
quella sopra l'acqua. L'aria fluisce dalla costa verso l'acqua (figura 5b). Ciò fa sì che la quantità
d'aria che preme sull'acqua sia maggiore della quantità che preme sulla costa. Perciò, al livello del
suolo la pressione dell'aria è maggiore sull'acqua e quindi l'aria fluisce dall'acqua verso la costa
(figura 5c). Chi si trova sulla costa è esposto a una brezza di mare. L'aria più fredda affluisce da
sopra l'acqua, mentre l'aria calda sopra la costa sale, creando un sistema di circolazione completo
(figura 5d).
Di notte il processo si inverte poiché la costa si raffredda più rapidamente dell'acqua e quindi l'aria
più calda si trova sopra il mare (figura 5e). Se accendiamo un fuoco sulla spiaggia, possiamo
osservare che il fumo si dirige verso l'interno di giorno e verso il mare di notte.
Propagazione del calore
Pagina 4 di 9
Figure 5 Le correnti di convezione vengono prodotte da un riscaldamento non uniforme. La costa è
più calda dell'acqua durante il giorno e più fredda dell'acqua durante la notte e quindi l'orientamento
della corrente d'aria si inverte due volte al giorno.
lrraggiamento termico
Il trasferimento di calore per irraggiamento avviene sotto forma di onde elettromagnetiche, in
particolare radiazioni termiche o infrarosse. Questo è il motivo per cui l’energia termica può
propagarsi nel vuoto: le radiazioni emesse dal Sole giungono, infatti, fino a noi attraversando gli
spazi interplanetari praticamente privi di materia. Non solo, il calore proveniente dal sole non
attraversa l’atmosfera per conduzione, poiché l’aria è uno dei conduttori di calore peggiori (è,
infatti, uno dei migliori isolanti), né l’attraversa per convezione, poiché la convezione comincia
soltanto dopo che la terra si è riscaldata.
il Sole, una stufa accesa, una fiamma, e più in generale tutti i corpi emettono e assorbono,
qualunque sia la loro temperatura, radiazioni elettromagnetiche in una “miscela” di varie
frequenze.
Tipi di onde elettromagnetiche
(fig. 1)
Propagazione del calore
Pagina 5 di 9
La capacità di emettere e di assorbire calore dipende dalla natura del corpo e del mezzo che lo
circonda, dalla frequenza della radiazione, dalla temperatura, nonché da certe caratteristiche (colore,
riflessività, struttura superficiale, ecc.) della superficie del corpo.
Fig. 2
I corpi a bassa temperatura emettono onde di grande lunghezza d'onda, così come si producono
onde lente di grande lunghezza d'onda quando si scuote una fune con piccola energia (figura 2). I
corpi a temperatura più alta emettono onde con lunghezze d'onda più piccole. I corpi a temperature
ordinarie emettono onde appartenenti in prevalenza all'estremo di grande lunghezza d'onda della
regione infrarossa, compresa fra le radioonde e le onde luminose. Sono le onde appartenenti
all'estremo di più
piccola lunghezza d'onda della regione infrarossa che la nostra pelle avverte come calore. Perciò,
quando parliamo di radiazione termica, parliamo soprattutto di radiazione infrarossa.
Come fu determinato da Josef Stefan (1835-93) e teoricamente dedotto da Ludwig Boltzmann
(1844-906), l'energia termica emessa da un corpo nell'unità di tempo è direttamente
proporzionale alla superficie del corpo e alla quarta potenza della temperatura espressa in kelvín.
Ossia:
Q
eST4
t
(1)
dove Q/t è la potenza irraggiata in watt, S la superficie del corpo, e è un numero compreso tra 0
e 1, caratteristico per ogni materiale e chiamato coefficiente dí emissione dato dal rapporto tra
la quantità di energia assorbita Ea e la quantità di energia ricevuta Er
e
Ea
Er
;
è una costante universale, detta di Stefan e Boltzmann, che ha il valore:
-8
4
x10 W/(m2K ) (2)
Propagazione del calore
Pagina 6 di 9
Quando una certa quantità di energia incide sopra un corpo, una parte viene riflessa, una parte viene
assorbita e una parte, se il corpo è trasparente, viene trasmessa. L’assorbimento delle radiazioni da
R riflessa +R assorbita+R trasmessa =R incidente
parte della materia è regolato dalla stessa relazione (1), sostituendo al posto del coefficiente e, il
coeffíciente di assorbimento a il cui valore coincide con quello di e.
Fotografia di due case ripresa su una pellicola sensibile ai raggi infrarossi.
Gli oggetti emettono queste radiazioni in misura diversa a seconda della
loro temperatura. I colori giallo, rosso e bianco indicano che vi sono
grosse perdite di calore in corrispondenza delle finestre, delle porte e dei
muri poco isolati.
Propagazione del calore
Pagina 7 di 9
La legge di Stefan-Boltzmann, chiamata a volte legge di Boltzmann o anche legge di Stefan,
stabilisce che l'energia irradiata da un corpo nero2 è proporzionale alla quarta potenza della sua
temperatura:
dove E è l'energia, T la temperatura e σ è la costante di Stefan-Boltzmann che vale:
La legge, in questo enunciato, è valida solo per corpi neri ideali.
La legge fu scoperta sperimentalmente da Jožef Stefan (1835-1893) nel 1879 e spiegata
teoricamente, usando la termodinamica, da Ludwig Boltzmann (1844-1906) nel 1884.
2
viene chiamato corpo nero un oggetto che può assorbire e quindi riemettere tutta l’energia elettromagnetica
che incide su di esso
Propagazione del calore
Pagina 8 di 9
QUESTIONARIO
1) In una stanza, la cui temperatura e di 20° C, insieme a te ci sono: un gatto, un acquario con
i pesci, un tavolo di marmo, un cuscino dì lana, un tagliacarte di metallo;
a) Sapresti dire, per ciascuno degli oggetti indicati, se la loro temperatura è minore, uguale o
maggiore dellaa temperatura della stanza? Inserisci negli appositi spazi la parola che ritieni più
appropriata tra maggiore, uguale o minore, indicando nel successivo spazio le ragioni della tua
scelta.
La temperatura;
a. del tuo corpo è ____________
perché
______________________________________
b. del gatto
è ____________
perché ______________________________________
c. dei pesci
è ____________
perché ______________________________________
d. dell'acquario è ____________
perché ______________________________________
e. del tavolo di marmo è _______
perché ______________________________________
f. del cuscino di lana è__________
perché ______________________________________
g. del tagliacarte di metallo è _______ perché
_____________________________________
b) Se la temperatura della stanza è aumentata di 10 ^C, cosa è successo alla temperatura degli
oggetti sopraelencafi?
2) Supponete di avere una tavoletta di legno ed una di metallo delle stesse dimensioni (25cm x
15cm x 0.2cm ) e di deporre al centro due cubetti di ghiaccio identici estratti dal frigorifero
contemporaneamente. I due cubetti si scioglieranno:
a. insieme;
b. prima quello sul legno;
c. prima quello sul metallo;
d. Date una stima, se è il caso, di quanto tempo prima si scioglie un cubetto rispetto
all'altro:
Propagazione del calore
Pagina 9 di 9
