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La propagazione di calore induce differenze di energia interna tracorpi con differente temperatura in contatto termico. La propagazionedi calore può avvenire per conduzione, per convenzione e perirraggiamento termico.
Discutiamo ora l'esperienza fondamentale della termodinamica: consideriamo
due sistemi A e B isolati meccanicamente e termicamente dall'esterno a temperatura
iniziale 
e 
con 
Ponendo A e B
in contatto termico (fig. (1.1)) ed attendendo un tempo sufficientemente
lungo si perviene allo stato finale (fig. (1.2)), con il seguente risultato:
Per definizione si dice che è passato da A e B una certa quantità di calore oppure che c'è statoun trasferimento di energia.
Esistono due modi di trasferire il calore:
La conduzione
Consideriamo l'esperienza di figura (1.3), costituita da 2 termostati
A e B a temperatura 
e 
con un conduttore termico
tra essi.
Facendo le tre ipotesi
e 
sono costanti),
l'esperienza mostra che (fig. (1.4)):(i) per
T è una funzione lineare edecrescente di T
(ii) il trasferimento di energia interna
attraverso una sezione nell'unità di tempo è costante;
(iii) si può introdurre ilconcetto di intensità di corrente di calore
definita come
dove
è l'intervallo di tempo.
L'intensità di corrente di calore vale
dove
è una costante nota come coefficiente di conducibilità calorica del mezzo.
Per i metalli 
è compresa tra
Per gli isolanti di calore 
è compresa
tra 
Per una sostanza adiabatica 
(solo il vuoto
è perfettamente adiabatico).
Dalla legge precedente si vede che:
il calore fluisce dal corpo più caldoal corpo più freddo. |
Il termine 
è noto come conduttività termica.
Nella tabella 1 abbiamo le conducibilità per varie sostanze.
ESEMPIO: Supponiamo che una lastra d'acciaio di superficie
1 
e lunga 20 cm separi due termostati a 270 deg. K e 300deg.
K; qual' è la temperatura nel punto medio della lastra e l'intensità
di corrente di caloretra i due termostati?
Il valor medio si ottiene nel modo seguente:
Ovviamente potremmo trovare la temperatura utilizzandola legge della temperatura nella lastra: infatti essendo una retta, avremo l'equazione della retta di figura (1.4) data da
T=ax+b.
Dobbiamo determinare le costanti a e b nel nostro caso.
Ponendo x=0 a contatto con il termostato 
, più freddo,
avremo
e
essendo 
e b= 270deg. K avremo
pertanto l'equazione diventa
Essendo
dalla formula
Cos'è l'energia interna
A questo punto è opportuno fare qualche riflessione sull'energia interna di un sistema e chiedersi a quale tipo di fenomenologia fisica sia legata.
L'energia interna di un sistema termodinamico è legata all'agitazione molecolare delle molecole costituenti il sistema. Essa è di tipo meccanico, in quanto legataal moto microscopico e disordinato delle molecole. |
La conduzione è legata ad un trasferimento di energiacinetica microscopica e disordinata anche se la materia (macroscopicamente) resta a riposo.
La convezione
La convezione è legata al trasferimento di energia macroscopicadisordinata trasmessa per movimento macroscopico (fig. (1.5)).
Esistono vari esempi di convezione:
La legge della convezione è sperimentale ed è la seguente (fig. (1.6))
dove h è il coefficiente di convezione.
Consideriamo l'esperienza seguente (fig. (2.1)): ad una lampada accesa avviciniamo un termometro ad una temperatura T.
Dopo un certo tempo ci accorgiamo che la temperatura T del termometroè cresciuta anche se c'è il vuoto tra la lampada ed il termometro.
Il vuoto esclude ovviamente il contatto termico tra i due sistemi e quindi sia i fenomeni di conduzione che di convezione. A che cosa è dovuto allora l'aumento di temperatura?
Questo nuovo fenomeno si chiama irraggiamento termico ed è legato ad energia in moto a velocità molto elevata. |
Nel fenomeno precedente l'energia è trasportata da ondeelettromagnetiche (fig. (2.2)) delle quali tratteremo più diffusamente nel modulo riguardante i fenomeni elettromagnetici.
Alcuni emettitori di raggi elettromagnetici sono:
