Come si comportano i materiali rispetto al calore? Organizzazione del modulo didattico e finalità L’ambito specialistico è quello relativo alla scelta indirizzata dal docente Argomento base Come si comportano i materiali rispetto al calore? Argomento correlato : le principali grandezze “termofisiche” ed alcuni valori di misurazione delle temperature di corpi generici Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Organizzazione del modulo didattico e finalità La trasmissione dl calore nei corpi può essere analizzata attraverso esempi e valutazioni di calcolo. La grandezza fisica principale è certamente la temperatura che può essere riferita all’aria o ad una specifica superficie. Nella esperienza si presenta uno strumento analogico ed uno strumento software di calcolo attraverso “simulazione” Tipi di conoscenze e capacità di base degli allievi Definizione generale della/e tecniche di insegnamento Necessità e livello min - max di specializzazione Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Organizzazione del modulo didattico e finalità Il modulo didattico che si propone riguarda la relazione fra l’osservazione e la misura di una grandezza o di una proprietà e la rappresentazione dei risultati attraverso grafici. Si tratta di una operazione di interpretazione, confronto con un riferimento, e “misura” della proprietà in osservazione rispetto ad una serie di esperienze ripetute sullo stesso tema. Tipi di conoscenze e capacità di base degli allievi Concetto di temperatura Concetto di scambio termico L’allievo deve essere in grado applicare i suddetti concetti a casi di studio diversi per dimensione, per forma o per natura. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Organizzazione del modulo didattico e finalità L’esperienza può essere realizzata introducendo domande semplici del tipo seguente: Come avvengono gli scambi di calore nei corpi? Quale grandezza fisica rappresenta il “ motore dello scambio di calore? Come posso costruire un modello semplice di scambio di calore? Che tipo di analisi o calcolo e che risultato posso ottenere? Definizione di “CAMPO” Sistema fisico bi dimensionale- Contorno Obiettivo : TRACCIARE LA MAPPA TERMICA DI UN CORPO O DI UN ELEMENTO SEMPLICE/COMPLESSO Obiettivo : STUDIARE LE VARIAZIONI Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

CORSO PAS Classe A 033 - Arch. E. Barbera Le proprietà termiche dei materiali Il sistema di unità di misura usato universalmente nella scienza è il Sístema Internazionale di Unità (SI). Nel SI, l'unità campione di lunghezza è il metro (simbolo: m), l'unità campione di intervallo di tempo è il secondo (simbolo: s) l'unità campione di massa è il chilogrammo (simbolo: kg). l’unità di volume dei corpi è il metro cubo (mc); l'unità di temperatura, il kelvin o il grado “centigrado” detto CELSIUS°C l'unità di assorbimento o cessione del calore è il calore specifico espresso in KJ/Kg massa del materiale; La proprietà di conduzione del calore si valuta attraverso la conducibilità termica (indicata con la lettera greca “LAMBDA” che indica il livello di conduzione o la capacità di opporsi al passaggio del calore (W/mK); CORSO PAS Classe A 033 - Arch. E. Barbera

Come si misura una superficie? Se è rappresentabile come Organizzazione del modulo didattico e finalità L’ambito specialistico è quello relativo alla scelta indirizzata dal docente ALCUNI ESEMPI Come si misura una superficie? Se è rappresentabile come una figura geometrica regolare? Se ha una forma irregolare? Argomento correlato : nozione di sistema, contorno Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione del Calore Nella nostra esperienza vediamo che il calore si trasmette sempre dal corpo più caldo al più freddo. Ma quali sono le modalità di propagazione? Conduzione Convezione Irraggiamento 3 Modalità di Propagazione del Calore Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Conduzione E’ la modalità principale di propagazione del calore nei corpi solidi. In una sbarretta metallica il calore si propaga dall’estremità riscaldata a tutto il corpo. Nella conduzione il calore si propaga senza che ci sia spostamento di materia. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Conduzione I corpi non trasmettono il calore tutti allo stesso modo, alcuni lo trasmettono facilmente e sono i Conduttori tutti i corpi metallici: rame, ferro, alluminio, tutti i metalli; altri si oppongono alla propagazione del calore e sono detti Isolanti legno, plastica, vetro, ceramica, eccetera. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Conduzione A livello microscopico le molecole del corpo vicine alla sorgente di calore ricevono energia termica che determina un aumento della loro energia cinetica. Aumenta l’agitazione termica delle molecole vicine all’estremo riscaldato. Le forze elastiche che legano le molecole trasmettono l’agitazione termica alle molecole adiacenti e così fino all’estremo opposto della sbarretta. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Conduzione Quanto calore viene trasmesso per conduzione? Sperimentalmente si osserva che il calore trasmesso e direttamente proporzionale a: Area della sezione A Differenza di temperatura tra gli estremi  T= T1 - T2 (T1 > T2) All’intervallo di tempo che viene considerato  t Inversamente proporzionale alla lunghezza della sbarretta L dipende dalle caratteristiche del materiale k k coefficiente di conducibilità (o conduttività ) termica Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Coefficienti di Conducibilità Termica Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Conduzione Allora la quantità di calore trasmesso è: Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Sbarre in parallelo - Conduzione Esercizio 1 Due sbarre di materiali diversi, sono collegate a due piatti metallici mantenuti a T1 °C e T2 °C. Le sbarre hanno la stessa sezione. Calcolare il calore che passa attraverso le sbarre in 1,0 s supponendo che lo scambio di calore avvenga solo attraverso gli estremi. Il calore totale Q che passa da T1 a T2 è la somma dei calori Q1 attraverso la sbarra 1 e Q2 attraverso la sbarra 2. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Sbarre in serie - Conduzione Esercizio 2 Le due sbarre dell’esercizio 12 vengono collegate in serie. a) calcolare la temperatura nel punto di giunzione dei due metalli b) La quantità di calore che attraversa le sbarre in 1 s.. T Il calore Q che attraversa il 1° metallo è uguale a quello che attraverso il secondo. La temperatura nel punto di giunzione è: Il calore Q che attraversa le sbarrette è: Prof Biasco 2006

Propagazione per Convezione E’ la modalità principale di propagazione del calore nei fluidi in quanto le molecole dei fluidi si muovono liberamente. Si verifica quando un liquido viene riscaldato in modo non uniforme. Differenti temperature all’interno del fluido producono un movimento di materia che trasporta calore. Per esempio il fenomeno si verifica riscaldando una stanza mediante una stufa. L’aria più calda, avendo densità minore, tende a salire e viene sostituita dall’aria più fredda che scende lateralmente. In questo modo si creano dei moti circolari di aria: moti convettivi. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Convezione Le Brezze Un esempio interessante di convezione è rappresentato dalle brezze Brezza di mare che si verifica di giorno, aria fresca spira dal mare verso la terra. Brezza di terra che si verifica di notte, aria fresca spira dalla terra verso il mare. Prof Biasco 2006

Propagazione per Irraggiamento Tutti i corpi emettono energia sotto forma di onde elettromagnetiche: luce visibile (che ci permette di vederli), onde ultraviolette, onde infrarosse (che trasmettono energia termica). Il calore viene trasmesso mediante la radiazione infrarossa che ha una lunghezza d’onda  compresa tra 1 m e 100 m. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Irraggiamento Tutti i corpi emettono energia sotto forma di onde elettromagnetiche: 8·1014 Hz 4·1014 Hz Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Irraggiamento A differenza della conduzione e convezione l’irraggiamento avviene anche nel vuoto. La luce e il calore del sole ci raggiungono attraverso 150 milioni di km di vuoto Siccome l’irraggiamento comprende luce visibile è possibile determinare la temperatura di un corpo in base al suo colore (pirometro ottico). - Rosso acceso ---->  800 °C resistenza stufa o forno elettrico - Bianco incandescente ---->  3000 °C filamento lampadina - Blu incandescente ---->  20.000 – 30.000 °C stelle molto calde la superficie del sole ha la temperatura di circa 6000 °C. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Irraggiamento La potenza P irradiata da un corpo, cioè l’energia irradiata al secondo, è direttamente proporzionale alla superficie A raggiante e alla quarta potenza della temperatura T del corpo. Legge di Stefan-Boltzmann Costante di Stefan-Boltzmann  = 5,67 108 W/(m2 K4) Coeff di emissione o emissività 0  e  1 Area della superficie raggiante A Temperatura assoluta del corpo raggiante T Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Propagazione per Irraggiamento I corpi assorbono radiazione dai corpi circostanti con la stessa legge con cui la emettono. Se un corpo è alla temperatura T e gli oggetti circostanti a temperatura Ts allora la potenza emessa dal corpo sarà: Se la temperatura del corpo è maggiore di quella degli oggetti circostanti allora la potenza emessa è maggiore di quella assorbita Ptot > 0. Se la temperatura del corpo è minore di quella degli altri oggetti allora la potenza emessa è minore di quella assorbita Ptot < 0. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Radiazione di Corpo Nero L’energia termica che investe un corpo (o le onde elettromagnetiche in generale) viene in parte riflessa, in parte assorbita, in parte trasmessa. In generale un corpo ha la stessa capacità di emettere ed assorbire energia: il suo potere assorbente a è uguale al coefficiente di emissione e. Corpo Nero Un sistema in grado di assorbire tutte le radiazioni che lo colpiscono, qualunque sia la loro frequenza, si definisce corpo nero. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Radiazione di Corpo Nero Un corpo nero è un “assorbitore” perfetto, ma riscaldato diviene anche un emettitore perfetto. La distribuzione dell’energia emessa dipende solo dalla temperatura T. Più caldo è il corpo più energia emette, il massimo delle frequenza emessa aumenta all’aumentare della temperatura: Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera

Radiazione di Corpo Nero Luce visibile ha una frequenza compresa tra 4,29 1014 Hz  rosso 7,50 1014 HZ  violetto Radiazione di corpo nero in funzione della frequenza a varie temperature. Al crescere della temperatura il picco della radiazione si sposta verso le alte frequenze. Percorsi abilitanti speciali – Materiali di organizzazione della didattica Arch. Eduardo Barbera