La propagazione del calore

In fisica, processo attraverso il quale due corpi, a temperature differenti, si scambiano energia sotto forma di calore, raggiungendo l'equilibrio termico. Il calore si propaga in tre modi diversi: per conduzione, convezione o irraggiamento. La conduzione avviene per contatto tra corpi solidi, ed è responsabile del fenomeno per cui il calore trasmesso dal fuoco alla punta di un attizzatoio giunge fino al manico. La convezione riguarda la diffusione del calore nei fluidi e avviene con trasporto di materia: è per convezione che l'acqua di un bollitore si riscalda uniformemente,pur essendo solo inferiormente a contatto con il fornello. L'irraggiamento infine consiste nella propagazione senza contatto di energia termica sotto forma di onde elettromagnetiche: grazie all'irraggiamento il tepore della fiamma di un camino si diffonde in tutto l'ambiente.

Conduzione Una delle forme più familiari di scambio di calore è la conduzione, ovvero il flusso di calore che avviene direttamente attraverso il materiale, per esempio se teniamo in mano l’estremità di una sbarra metallica e poniamo l’altra estremità sul fuoco, ci accorgiamo che dopo poco tempo inizia a riscaldarsi ance l’estremità che abbiamo in mano. Il calore che percepiamo viene trasportato lungo la sbarra per conduzione. La conduzione dipende dal tipo di materiale coinvolto: alcuni materiali conducono bene il calore, altri invece sono cattivi conduttori e sono chiamati isolanti. Quando il calore viene trasmesso per conduzione non vi è alcuno spostamento di materia, a differenza della convezione.

Come quantifichiamo il calore condotto? Possiamo determinare la quantità di calore trasmesso attraverso la conduzione grazie alla formula ideata da Jean Baptiste Joseph Fourier: HxA d ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ xxx ∆t x ∆T = Q Dove H è una costante che varia da sostanza a sostanza, chiamata coefficiente di conducibilità termica, A è l’area sulla quale viene somministrato il calore, d è lo spessore del corpo, ∆t è l’intervallo di tempo durante il quale viene riscaldata la sostanza, ∆T è la differenza di temperatura tra le due facce del corpo e Q e la quantità di calore.

Convezione La convezione è uno scambio di calore con spostamento di materia. In generale abbiamo questo tipo di propagazione di calore nei fluidi. Poniamo di avere una pentola sul fornello; in questa situazione l’acqua sul fondo si riscalda e tende a salire verso l’alto, spingendo in basso l’acqua più fredda che si trova in superficie quest’acqua a sua volta si riscalda e sale anch’essa verso l’alto spingendo verso il basso l’acqua più fredda. In questo modo si origina un ciclo, detto ciclo convettivo.

Irraggiamento L’irraggiamento è la trasmissione di calore per mezzo delle onde elettromagnetiche emesse da un corpo e può avvenire anche nel vuoto, perché le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo fisico per propagarsi. Quando un corpo assorbe un onda elettromagnetica accresce la propria energia interna e si riscalda, mentre il corpo che emette l’onda si raffredda.

Come quantifichiamo il calore irraggiato? Anche per l’irraggiamento possiamo determinare la quantità di calore trasmessa, utilizzando però una formula diversa, chiamata legge di Stefan-Boltzmann(chiamata così per via degli ideatori Jožef Stefan e Ludwig Boltzmann. E x σ x A x T⁴ x ∆t = Q Dove E sta per emissività, un coefficiente che varia da corpo a corpo ed è un numero che va da 0 a 1, σ è la costante di Stefan-Boltzmann, pari a 5.67x10⁻⁸ W/(m₂∙K⁴). L’A sta per l’area della superficie irraggiata, la T sta per la temperatura in kelvin del corpo e ∆t è l’intervallo di tempo.

L’irraggiamento solare Nel nucleo incandescente si produce così una temperatura stimata tra 16 e 40 milioni di gradi;attraverso una serie di processi radiativi e convettivi avviene il trasferimento del calore alla superficie dove avviene l’irraggiamento verso lo spazio. La radiazione solare è l’energia emessa dal Sole a partire dalle reazioni di fusione che avvengono nel nucleo solare e producono radiazioni elettromagnetiche le quali si propagano poi nello spazio interplanetario. La quantità totale di radiazione emessa dal sole nell'unità di tempo, nell'unità di superficie e misurata alle soglie esterne dell'atmosfera, valore pressoché costante nel tempo, è detta costante solare.

La temperatura della superficie si porta allora ad un valore di circa 5780 K, tale da fare insorgere un equilibrio tra l’energia che la superficie stessa riceve dal nucleo e quella che emette verso gli spazi siderali. La parte di irraggiamento che raggiunge direttamente il suolo costituisce la radiazione diretta mentre la parte rimanente costituisce la radiazione diffusa. A queste va infine aggiunta la radiazione riflessa o albedo, che rappresenta la percentuale di radiazione diretta e diffusa che viene riflessa dal suolo o dalle superfici circostanti sulla superficie considerata.

Gli specchi ustori Gli specchi ustori sono specchi in grado di concentrare i raggi paralleli provenienti dal Sole in un punto, detto fuoco dello specchio. Nell'immaginario collettivo gli specchi ustori sono indissolubilmente legati all'assedio di Siracusa, durante il quale Archimede li avrebbe usati per bruciare le navi romane. I raggi del Sole concentrati dagli specchi in un unico punto sarebbero stati in grado di bruciare il legno delle navi romane. La struttura è costituita da almeno 24 grandi specchi piani, disposti in una figura esagonale su un graticcio ruotante su un palo fissato al terreno: lo specchio centrale serviva a dirigere il raggio solare riflesso sull'obiettivo, mentre gli specchi laterali venivano fatti convergere con un sistema di cinghie. Ad oggi il metodo di concentrazione dei raggi solari viene utilizzato in alcune centrali solari per la produzione di energia elettrica. Un esempio di applicazione è la centrale sperimentale Archimede nei pressi di Siracusa che sfrutta dei metodi innovativi. Uno specchio parabolico concavo viene usato anche durante la cerimonia di accensione della fiaccola olimpica prima di ogni edizione dei Giochi Olimpici.

Pannelli Solari I pannelli solari utilizzano l'energia solare per trasformarla in energia utile e calore per le attività dell'uomo. I pannelli solari si dividono in due diverse categorie di prodotti a seconda dell'utilizzo, possiamo distinguerli in: pannelli solari fotovoltaici, finalizzati alla produzione di energia elettrica per un normale uso domestico; pannelli solari termici, finalizzati al riscaldamento dell'acqua sanitaria.  pannelli solari a concentrazione, concentrano i raggi solari in un punto tramite un sistema di specchi parabolici, il calore così generato surriscalda un liquido termovettore o un serbatoio fino a 400~ 600°C. Il calore generato può essere riutilizzato per generare forza vapore e quindi elettricità.