Il trasferimento di calore per conduzione Consiste nel passaggio o flusso di energia tra due corpi a temperature diverse, quando entrano in contatto. Il calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo, fino a quando entrambi hanno la stessa temperatura. Si dice quindi che il sistema abbia raggiunto l'equilibrio termico.
È un meccanismo di trasferimento di calore frequente nei solidi, sebbene avvenga anche all'interno delle stelle, che sono normalmente gassose. Tuttavia, i nuclei delle stelle che sono avanzati nella loro evoluzione sono abbastanza densi perché questo meccanismo sia significativo..
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Il trasferimento di calore per conduzione avviene attraverso lo scambio di energia tra molecole, atomi ed elettroni. Mentre avviene lo scambio, le particelle più energetiche cedono parte della loro energia a quelle meno energetiche a causa delle collisioni che avvengono tra di loro..
Ad esempio, in una pentola che sta per essere messa sul fuoco, tutte le particelle del materiale oscillano con una certa ampiezza. La fiamma riscalda quelli più vicini ad essa, che iniziano a vibrare più velocemente, aumentando la loro ampiezza di oscillazione e guadagnando energia..
Parte di questa energia viene trasmessa alle molecole vicine, che a loro volta aumentano la loro ampiezza di oscillazione e acquisiscono energia progressivamente. E da queste particelle, parte dell'energia si propaga verso le particelle più lontane dalla fiamma.
Aumenti dell'ampiezza di oscillazione delle particelle si traducono in un aumento della temperatura, che può essere sentito con la mano, se ci si avvicina abbastanza al metallo della padella, compreso il manico o le maniglie, quindi sono sempre rivestiti di un isolante, in modo che possano essere maneggiati senza bruciarsi.
Tuttavia, la velocità del processo di conduzione dipende dal materiale, poiché alcune sostanze conducono molto meglio di altre..
A questo proposito, i metalli sono sicuramente ottimi conduttori di calore ed elettricità. Sono migliori del legno e della plastica, perché i loro atomi hanno almeno un elettrone libero nel guscio più esterno, che può muoversi attraverso il materiale e trasportare energia con loro..
Ma sorprendentemente, il diamante è il miglior conduttore termico in circolazione, anche se, a causa del suo prezzo, non c'è altra alternativa che accontentarsi dei metalli quando si tratta di applicazioni pratiche..
Una nuova ricerca indica che un composto di boro e arsenico è probabilmente buono come il diamante nel dissipare il calore in modo efficiente.
Per scoprire quanto velocemente il calore si propaga per conduzione, si consideri un foglio di materiale di larghezza L e area laterale A. La faccia sinistra è a contatto con una fonte di calore (in rosso) alla temperatura Th, mentre l'altra faccia è adiacente ad un oggetto più freddo, di temperatura Tc.
Il calore Q scorre tra le facce, dal lato più caldo a quello più freddo, nel tempo Δt. Sperimentalmente si è riscontrato che la velocità di variazione o velocità con cui il calore scorre tra le facce è proporzionale a:
-L'area A delle facce.
-La differenza di temperatura ΔT tra di loro.
Ed è anche inversamente proporzionale allo spessore L della piastra. Matematicamente si esprime così:
La costante di proporzionalità è chiamata conducibilità termica K, Quindi:
La conduttività termica è una caratteristica del materiale. Per quanto riguarda le unità presenti, nel Sistema Internazionale Q si misura in joule (J), Δt in secondi (s), quindi Q / Δt rimane in J / s che è equivalente a watt (W). In questo caso, le unità di conducibilità termica sono W / m ∙ ºC, se la temperatura è misurata in gradi Celsius o W / m ∙ K quando si utilizza la scala assoluta in kelvin.
Buoni conduttori termici hanno valori elevati di K, evidenziando metalli e diamanti.
Poiché Q / Δt è potenza, se è indicato con P abbiamo:
Di seguito la conducibilità termica di alcune sostanze note di uso frequente, in unità del Sistema Internazionale SI W / m ∙ K:
-Diamante sintetico: 2000
-Argento: 429
-Oro: 317
-Rame: 385
-Zinco: 116
-Tungsteno: 174
-Aria: 0,024
Il trasferimento di calore per conduzione è presente in molti aspetti della vita quotidiana:
Pentole, padelle e, in generale, utensili da cucina in metallo come l'acciaio, hanno manici in materiale isolante. Ciò riduce il rischio di ustioni quando vengono maneggiati mentre sono a contatto con la fiamma o il contenuto è caldo..
Quando si tiene un pezzo di legno in una mano e un pezzo di metallo nell'altra, si nota immediatamente che è più fresco al tatto. I metalli, come spiegato sopra, sono buoni conduttori di calore, quindi il calore scorre più velocemente dalla mano al metallo che dalla mano al legno..
In questo modo, il contatto con il metallo raffredda più velocemente la mano di chi lo tiene, e di conseguenza si sente più fredda del legno, che non è un buon conduttore..
Le nuove coperture sono più calde di quelle usate, e questo perché quelle nuove hanno più aria all'interno delle fibre e dei pori. Più aria è all'interno, meglio funziona una copertura, poiché l'aria è un ottimo isolante termico.
In molte parti del mondo dove d'inverno fa molto freddo, le case sono protette con materiali termoisolanti, in modo che l'interno rimanga più confortevole.
Ad esempio, c'è la fibra di vetro, che contiene spazi con aria al suo interno, che funge da isolante termico, impedendo al calore di fuoriuscire..
Le pompe di calore estraggono il calore dai macchinari conducendo il calore attraverso condotti metallici, dalle parti surriscaldate alle aree più fredde.
Quando un oggetto metallico viene riscaldato, le particelle costituenti oscillano con un'ampiezza maggiore e la conseguenza è che le dimensioni dell'oggetto sono aumentate.
I contenitori destinati a mantenere il cibo in buone condizioni più a lungo sono realizzati in materiale isolante in modo che il calore dall'esterno non decomponga il cibo.
La sezione trasversale di un blocco di rame ha un'area di 20 cmDue e lunghezza di 50 cm. Un lato è a 0 ° C e l'altro a 100 ° C. Calcolare la velocità di trasmissione del calore.
Verrà utilizzata l'equazione derivata in precedenza:
Dall'elenco delle conduttività, quella del rame è k = 400 W / m ∙ K, e sebbene le temperature indicate nella dichiarazione siano in gradi Celsius, l'intervallo ΔT è lo stesso su entrambe le scale:
ΔT = 100 K
La lunghezza è L = 50 cm = 0,5 me l'area è A = 20 cmDue = 0,002 mDue, Resta da sostituire i valori nell'equazione:
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