12 Esempi di energia termica nella vita quotidiana
L’energia termica si riferisce all’energia posseduta da un oggetto a causa dei movimenti delle particelle all’interno dell’oggetto. È l’energia cinetica interna dell’oggetto, che deriva dai movimenti casuali delle molecole e degli atomi dell’oggetto.
Mentre le molecole e gli atomi che compongono la materia si muovono continuamente, quando un oggetto si riscalda, l’aumento della temperatura fa muovere queste particelle più velocemente e le fa scontrare tra loro. Più velocemente si muovono queste particelle, più alta è l’energia termica dell’oggetto.
Può essere scritta matematicamente come il prodotto della costante di Boltzmann (kB) e la temperatura assoluta (T).
Energia termica = kBT
Il termine “energia termica” può anche essere applicato alla quantità di calore trasferito o all’energia trasportata dal flusso termico.
L’energia termica (o energia di calore) può essere trasferita da un corpo all’altro attraverso tre processi –
- Conduzione: è la forma più comune di trasferimento di calore, che avviene per contatto fisico: L’energia interna si trasferisce a causa delle collisioni microscopiche delle particelle e del movimento degli elettroni all’interno di un corpo.
- Convezione: è il trasferimento di calore da una regione all’altra attraverso il movimento dei fluidi, come liquidi e gas.
- Radiazione: è la trasmissione di energia sotto forma di particelle o onde attraverso lo spazio o un mezzo. Più l’oggetto è caldo, più irradierà energia termica.
Per spiegare meglio questo fenomeno, abbiamo raccolto alcuni dei migliori esempi di energia termica che si vedono nella vita quotidiana.
Energia solare
Tipo di trasferimento di calore: Radiazione
Il Sole è una sfera quasi perfetta di plasma caldo che converte l’idrogeno in elio attraverso miliardi di reazioni chimiche, che alla fine producono un’intensa quantità di calore.
Invece di rimanere vicino al Sole, il calore si irradia lontano dalla stella e nello spazio. Una piccola parte di questa energia (calore) raggiunge la Terra sotto forma di luce. Si tratta per lo più di luce infrarossa, visibile e ultravioletta. Il trasferimento di energia termica in questo modo è chiamato radiazione termica.
Mentre parte dell’energia termica attraversa l’atmosfera terrestre e raggiunge la terra, parte di essa viene bloccata dalle nuvole o riflessa da altri oggetti. La luce solare che raggiunge la superficie della Terra la riscalda.
Secondo l’Università dell’Oregon, l’intera Terra riceve una media di 164 Watt per metro quadrato in un giorno di 24 ore. Questo significa che l’intero pianeta riceve 84 Terawatt di potenza.
Fusione del ghiaccio
Tipo di trasferimento di calore: Convezione
L’energia termica scorre sempre da regioni a temperatura più alta a regioni a temperatura più bassa. Per esempio, quando si aggiungono cubetti di ghiaccio alla bevanda, il calore si sposta dal liquido ai cubetti di ghiaccio.
La temperatura del liquido scende quando il calore si trasferisce dalla bevanda al ghiaccio. Il calore continua a spostarsi verso la zona più fredda della bevanda fino a raggiungere l’equilibrio. Questa perdita di calore fa precipitare la temperatura della bevanda.
Celle a combustibile
Una cella a combustibile che prende idrogeno e ossigeno come input
Trasferimento di calore: Dipende dal tipo di cella a combustibile
Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che convertono l’energia chimica di un gas combustibile e ossidante in energia elettrica. Quando una cella a combustibile funziona, una quantità significativa di input viene utilizzata per generare energia elettrica, ma la parte rimanente viene trasformata in energia termica, a seconda del tipo di cella a combustibile.
Il calore prodotto durante questo processo viene sfruttato per aumentare l’efficienza energetica. Teoricamente, le celle a combustibile sono molto più efficienti dei processi convenzionali: se il calore di scarto viene catturato in uno schema di cogenerazione, si possono raggiungere efficienze fino al 90%.
Energia geotermica
Tipo di trasferimento del calore: Convezione del mantello
L’energia geotermica è il calore derivato nel sottosuolo della Terra. È contenuta nei fluidi e nelle rocce sotto la crosta terrestre e può essere trovata in profondità nella roccia fusa calda della Terra, il magma.
È prodotta dal decadimento radioattivo dei materiali e dalla continua perdita di calore dalla formazione del pianeta. La temperatura e la pressione al confine tra nucleo e mantello possono raggiungere più di 4000°C e 139 GPa, causando la fusione di alcune rocce e il comportamento plastico del mantello solido.
Questo porta a porzioni di mantello che convogliano verso l’alto (poiché la roccia fusa è più leggera della roccia solida circostante). Il vapore e/o l’acqua trasportano l’energia geotermica alla superficie del pianeta, da dove può essere utilizzata per il raffreddamento e il riscaldamento, o potrebbe essere sfruttata per produrre elettricità pulita.
L’energia termica nell’oceano
Tipo di trasferimento del calore: Convezione e Conduzione
Per decenni, gli oceani hanno assorbito più di 9/10 del calore in eccesso dell’atmosfera dalle emissioni di gas serra. Secondo uno studio, l’oceano si è riscaldato ad un tasso di 0,5-1 watt di energia per metro quadrato negli ultimi dieci anni.
Gli oceani hanno un incredibile potenziale per immagazzinare energia termica. Poiché le loro superfici sono esposte alla luce diretta del sole per periodi prolungati, c’è un’enorme differenza tra le temperature delle regioni marine poco profonde e di quelle profonde.
Questa differenza di temperatura può essere usata per far funzionare un motore termico e generare elettricità. Questo tipo di conversione energetica, conosciuta come conversione dell’energia termica dell’oceano, può funzionare continuamente e può sostenere varie industrie spin-off.
Cucina solare
Tipo di trasferimento del calore: Radiazione e Conduzione
Un fornello solare è un dispositivo a bassa tecnologia ed economico che utilizza l’energia della luce solare diretta per riscaldare, cuocere o pastorizzare bevande e altri materiali alimentari. In una giornata di sole, può raggiungere una temperatura fino a 400°C.
Tutti i fornelli solari funzionano su tre principi di base:
- Concentrare la luce solare: Il dispositivo contiene una superficie a specchio per concentrare la luce del sole in una piccola area di cottura.
- Convertire l’energia luminosa in energia termica: Quando la luce cade su un materiale ricevente (pentola), converte la luce in calore, e questo è ciò che chiamiamo conduzione.
- Intrappolare l’energia termica: Un coperchio di vetro isola l’aria all’interno della pentola dall’aria esterna, minimizzando la convezione (perdita di calore).
Sfregare la mano
Tipo di trasferimento del calore: Conduzione
Quando si strofinano le mani, l’attrito trasforma l’energia meccanica in energia termica. L’energia meccanica si riferisce al movimento delle mani.
Siccome l’attrito si verifica a causa dell’attrazione elettromagnetica tra particelle cariche in due superfici che si toccano, lo sfregamento delle mani provoca lo scambio di energia elettromagnetica tra le molecole delle nostre mani. Questo porta all’eccitazione termica delle molecole delle nostre mani, che alla fine produce energia sotto forma di calore.
Motore termico
Tipo di trasferimento di calore: Convezione
Un motore termico converte l’energia termica in energia meccanica, che può essere usata per fare lavoro meccanico. Il motore prende l’energia dall’essere caldo (rispetto all’ambiente circostante) e la trasforma in movimento.
A seconda del tipo di motore, si applicano diversi processi, come l’utilizzo di energia da processi nucleari per generare calore (uranio) o l’accensione del combustibile attraverso la combustione (carbone o benzina). In tutti i processi, l’obiettivo è lo stesso: convertire il calore in lavoro.
Esempi quotidiani di motori termici includono una locomotiva a vapore, un motore a combustione interna e una centrale termica. Sono tutti alimentati dall’espansione di gas riscaldati.
Candela accesa
Tipo di trasferimento di calore: Conduzione, Convezione, Radiazione
Le candele fanno luce producendo calore. Convertono l’energia chimica in calore. La reazione chimica è chiamata combustione, dove la cera delle candele reagisce con l’ossigeno dell’aria e produce un gas incolore chiamato anidride carbonica insieme ad una piccola quantità di vapore.
Il vapore è prodotto nella parte blu della fiamma, dove la cera brucia in modo pulito con molto ossigeno. Ma siccome nessuna cera brucia perfettamente, producono anche un po’ di fumo (aerosol) nella parte gialla e luminosa della fiamma.
Nel corso del processo, lo stoppino assorbe la cera e brucia per produrre luce ed energia termica.
Tostapane elettrici
Tipo di trasferimento del calore: Radiazione termica
Un tostapane elettrico prende l’energia elettrica e la converte in calore in modo molto efficiente. Consiste di file di fili sottili (filamenti) che sono abbastanza distanziati per tostare l’intera superficie del pane.
Quando l’elettricità scorre attraverso il filo, l’energia viene trasferita da un’estremità all’altra. Questa energia è trasportata da elettroni. Durante il processo, gli elettroni si scontrano tra loro e con gli atomi del filo metallico, emettendo calore. Maggiore è la corrente elettrica e più sottile è il filo, più collisioni avvengono e più calore viene prodotto.
Sistemi moderni di riscaldamento domestico
Tipo di trasferimento di calore: Convezione
Due tipi comuni di sistemi di riscaldamento installati negli edifici sono quelli ad aria calda e ad acqua calda. Il primo utilizza l’energia termica per riscaldare l’aria e poi la fa circolare attraverso un sistema di condotti e registri. L’aria calda soffia fuori dai condotti e circola in tutte le stanze, spingendo l’aria fredda fuori dalla strada.
Mentre, il secondo usa l’energia termica per riscaldare l’acqua e poi la pompa in tutto l’edificio in un sistema di tubi e radiatori. Il radiatore caldo irradia energia termica all’aria circostante. L’aria calda poi si muove attraverso le stanze in correnti di convezione.
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CPU e altri componenti elettrici
Un dissipatore di calore raffreddato a ventola sul processore
Tipo di trasferimento del calore: Convezione e Conduzione
CPU, GPU, e sistema su un chip dissipano energia sotto forma di calore a causa della resistenza nei circuiti elettronici. Le GPU nei computer portatili/desktop consumano e dissipano molta più energia dei processori mobili a causa della loro maggiore complessità e velocità.
Leggi: 14 migliori esempi di convezione con spiegazione semplice
Vari tipi di sistemi di raffreddamento sono usati per mantenere i microprocessori a temperature ottimali. Un sistema di raffreddamento convenzionale per la CPU del desktop, per esempio, è progettato per dissipare fino a 90 watt di calore senza superare la temperatura massima di giunzione per la CPU del desktop.