La scienza del trasferimento del calore: Cos’è la conduzione?
Il calore è una forma interessante di energia. Non solo sostiene la vita, ci rende confortevoli e ci aiuta a preparare il cibo, ma la comprensione delle sue proprietà è fondamentale per molti campi della ricerca scientifica. Per esempio, sapere come viene trasferito il calore e il grado in cui i diversi materiali possono scambiare energia termica governa tutto, dalla costruzione di riscaldatori e dalla comprensione dei cambiamenti stagionali all’invio di navi nello spazio.
Il calore può essere trasferito solo attraverso tre mezzi: conduzione, convezione e radiazione. Di questi, la conduzione è forse il più comune e si verifica regolarmente in natura. In breve, è il trasferimento di calore attraverso il contatto fisico. Si verifica quando si preme la mano sul vetro di una finestra, quando si mette una pentola d’acqua su un elemento attivo e quando si mette un ferro da stiro nel fuoco.
Questo trasferimento avviene a livello molecolare – da un corpo all’altro – quando l’energia termica viene assorbita da una superficie e fa muovere più velocemente le molecole di quella superficie. Nel processo, esse urtano i loro vicini e trasferiscono l’energia a loro, un processo che continua finché il calore viene aggiunto.
Il processo di conduzione del calore dipende da quattro fattori fondamentali: il gradiente di temperatura, la sezione trasversale dei materiali coinvolti, la lunghezza del loro percorso, e le proprietà di quei materiali.
Un gradiente di temperatura è una quantità fisica che descrive in quale direzione e a quale velocità la temperatura cambia in un luogo specifico. La temperatura scorre sempre dalla fonte più calda a quella più fredda, a causa del fatto che il freddo non è altro che l’assenza di energia termica. Questo trasferimento tra i corpi continua fino a quando la differenza di temperatura decade, e si verifica uno stato noto come equilibrio termico.
Anche la sezione trasversale e la lunghezza del percorso sono fattori importanti. Maggiore è la dimensione del materiale coinvolto nel trasferimento, più calore è necessario per riscaldarlo. Inoltre, più superficie è esposta all’aria aperta, maggiore è la probabilità di perdita di calore. Quindi gli oggetti più corti con una sezione trasversale più piccola sono i mezzi migliori per minimizzare la perdita di energia termica.
Infine, ma certamente non meno importante, sono le proprietà fisiche dei materiali coinvolti. Fondamentalmente, quando si tratta di condurre il calore, non tutte le sostanze sono create uguali. I metalli e la pietra sono considerati buoni conduttori perché possono trasferire rapidamente il calore, mentre materiali come il legno, la carta, l’aria e i tessuti sono cattivi conduttori di calore.
Queste proprietà conduttive sono valutate in base a un “coefficiente” che si misura rispetto all’argento. A questo proposito, l’argento ha un coefficiente di conduzione del calore di 100, mentre altri materiali sono classificati più bassi. Questi includono rame (92), ferro (11), acqua (0,12) e legno (0,03). All’estremità opposta dello spettro c’è il vuoto perfetto, che è incapace di condurre il calore, ed è quindi classificato a zero.
I materiali che sono poveri conduttori di calore sono chiamati isolanti. L’aria, che ha un coefficiente di conduzione di .006, è un isolante eccezionale perché è capace di essere contenuta in uno spazio chiuso. È per questo che gli isolanti artificiali fanno uso di compartimenti d’aria, come le finestre a doppio vetro che servono a ridurre le bollette del riscaldamento. Fondamentalmente, agiscono come tamponi contro la perdita di calore.
Piuma, pelliccia e fibre naturali sono tutti esempi di isolanti naturali. Sono materiali che permettono agli uccelli, ai mammiferi e agli esseri umani di stare al caldo. Le lontre marine, per esempio, vivono in acque oceaniche che sono spesso molto fredde e la loro pelliccia lussuosamente spessa le mantiene calde. Altri mammiferi marini come leoni marini, balene e pinguini si affidano a spessi strati di grasso (aka. blubber) – un conduttore molto povero – per prevenire la perdita di calore attraverso la loro pelle.
Questa stessa logica è applicata all’isolamento di case, edifici e persino veicoli spaziali. In questi casi, i metodi coinvolgono sacche d’aria intrappolate tra le pareti, fibra di vetro (che intrappola l’aria al suo interno) o schiuma ad alta densità. I veicoli spaziali sono un caso speciale, e usano l’isolamento sotto forma di schiuma, materiale composito di carbonio rinforzato e piastrelle di fibra di silice. Tutti questi sono poveri conduttori di calore, e quindi impediscono che il calore si perda nello spazio e impediscono anche che le temperature estreme causate dal rientro atmosferico entrino nella cabina dell’equipaggio.
Guarda questo video dimostrativo delle piastrelle di calore sullo Space Shuttle:
Le leggi che governano la conduzione del calore sono molto simili alla legge di Ohm, che regola la conduzione elettrica. In questo caso, un buon conduttore è un materiale che permette alla corrente elettrica (cioè agli elettroni) di attraversarlo senza troppi problemi. Un isolante elettrico, al contrario, è qualsiasi materiale le cui cariche elettriche interne non scorrono liberamente, e quindi rendono molto difficile condurre una corrente elettrica sotto l’influenza di un campo elettrico.
Nella maggior parte dei casi, i materiali che sono poveri conduttori di calore sono anche poveri conduttori di elettricità. Per esempio, il rame è bravo a condurre sia il calore che l’elettricità, da qui il motivo per cui i fili di rame sono così ampiamente usati nella fabbricazione dell’elettronica. L’oro e l’argento sono ancora meglio, e dove il prezzo non è un problema, questi materiali sono usati anche nella costruzione di circuiti elettrici.
E quando si cerca di “mettere a terra” una carica (cioè neutralizzarla), la si invia attraverso una connessione fisica alla Terra, dove la carica si perde. Questo è comune con i circuiti elettrici dove il metallo esposto è un fattore, assicurando che le persone che accidentalmente entrano in contatto non siano folgorate.
I materiali isolanti, come la gomma sulle suole delle scarpe, sono indossati per garantire che le persone che lavorano con materiali sensibili o intorno a fonti elettriche siano protette dalle cariche elettriche. Altri materiali isolanti come il vetro, i polimeri o la porcellana sono comunemente usati sulle linee elettriche e sui trasmettitori di energia ad alta tensione per mantenere il flusso di energia nei circuiti (e nient’altro!)
In breve, la conduzione si riduce al trasferimento di calore o al trasferimento di una carica elettrica. Entrambi avvengono come risultato della capacità di una sostanza di permettere alle molecole di trasferire energia attraverso di loro.
Abbiamo scritto molti articoli sulla conduzione per Universe Today. Guarda questo articolo sulla prima legge della termodinamica, o questo sull’elettricità statica.
Se vuoi maggiori informazioni sulla conduzione, guarda l’articolo della BBC sul trasferimento di calore, ed ecco un link a The Physics Hypertextbook.
Abbiamo anche registrato un intero episodio di Astronomy Cast sul magnetismo – Episodio 42: Magnetismo Ovunque.