Il fenomeno fisico dello scambio di energia termica tra due sistemi tramite dissipazione di energia è noto come trasferimento di calore. Gli aspetti principali dello scambio termico sono la temperatura e il flusso di calore. La temperatura determina la quantità di energia termica immessa e il flusso di calore indica il trasferimento di energia termica.
L'energia cinetica delle particelle è direttamente correlata all'energia termica su scala minuscola. Le particelle diventano più agitate all'aumentare della temperatura, provocando movimenti lineari e vibrazioni.
L'energia viene trasferita da regioni ad energia cinetica più elevata a regioni ad energia cinetica inferiore. Le differenze di temperatura possono essere classificate in conduzione, convezione e radiazione.
Conduzione vs Convezione vs Radiazione
La differenza principale tra conduzione, convezione e irraggiamento è che il trasferimento di calore avviene attraverso il contatto diretto in conduzione. Nella convezione, invece, il movimento delle molecole è coinvolto nel trasferimento di calore. D'altra parte, la radiazione è il processo di dissipazione del calore tramite onde elettromagnetiche.
La collisione molecolare diretta è il modo in cui la conduzione trasmette il calore. L'energia termica verrà trasferita da un'area con energia cinetica elevata a un'area con energia cinetica inadeguata. Le particelle con una velocità maggiore entreranno in contatto con le molecole con una velocità inferiore. Di conseguenza, l’energia cinetica delle particelle che si muovono più lentamente aumenterà.
Quando un mezzo, come l'aria o un liquido, è esposto al calore e si allontana dalla sorgente, l'energia termica viene trasportata con sé. Convezione è il termine per questa forma di trasmissione del calore. Una superficie calda fa sì che il fluido su di essa si espanda, diventi meno denso e si elevi.
La dispersione delle onde elettromagnetiche produce radiazioni termiche. L'energia viene portata via dall'oggetto generatore da queste onde. Le radiazioni possono verificarsi nel vuoto o tramite qualsiasi sostanza trasparente. La radiazione è una diretta conseguenza del movimento casuale di atomi o molecole.
Tabella di confronto tra conduzione, convezione e radiazione
| Parametri di confronto | Conduzione | Convezione | Radiazione |
| Definizione | La conduzione è un processo fisico in cui il calore si trasferisce mediante la connessione tra le due superfici. | La convezione è il processo di trasferimento dell'energia termica nei fluidi. | Il processo di radiazione trasmette energia termica in onde elettromagnetiche senza toccare nessuna delle due superfici. |
| Avvenimento | Si verifica nei solidi dalla collisione di atomi o molecole al suo interno. | Si verifica in fluidi che sono liquidi e gas. | Può verificarsi ovunque e non ha bisogno di alcun mezzo. |
| Trasferimento di calore | Ha bisogno di sostanza solida per il trasferimento di calore. | Ha bisogno di liquidi. | Utilizza onde elettromagnetiche. |
| Velocità | È un processo lento | È un processo lento | È un processo veloce |
Cos'è la conduzione?
La conduzione è il processo che consente il trasferimento di calore attraverso i materiali a causa delle differenze di temperatura tra sezioni adiacenti del materiale. Si verifica quando la temperatura delle particelle di materia aumenta, provocando intense vibrazioni.
Le particelle entrano in contatto con atomi e molecole, facendoli vibrare, trasportando l'energia termica alle parti vicine dell'oggetto.
La conduzione è il movimento di energia dall'oggetto più caldo a quello più freddo quando due superfici sono in contatto diretto. Inoltre, i conduttori sono elementi che consentono al calore di attraversarli facilmente.
Cos'è la convezione?
La convezione è un tipo di trasferimento di calore che avviene solo nei fluidi ed è causato dal vero movimento dei materiali. Il termine “fluido” si riferisce a qualsiasi mezzo in cui molecole come liquidi e gas possono muoversi liberamente da un luogo all’altro. Si verifica in modo naturale o forse anche in modo invadente.
La gravità gioca un ruolo vitale nella convezione naturale quando un fluido viene riscaldato dal basso, provocando l'espansione del componente più caldo.
Il materiale più caldo aumenta rapidamente la galleggiabilità perché è meno pesante. In confronto, il materiale più freddo cerca di sostituirlo affondando sul fondo a causa della maggiore densità; quindi, la tendenza si ripete. Quando una sostanza viene riscaldata per convezione, le molecole si disperdono e si allontanano.
Cos'è la radiazione?
La radiazione è un processo di trasferimento di calore che non comporta l'uso di un mediatore. Implica il movimento dell'energia in onde che non richiedono il passaggio di molecole. Per trasferire il calore, gli oggetti non devono essere in stretto contatto tra loro.
Le radiazioni ti fanno sentire caldo anche se non stai toccando il soggetto. Inoltre, il pigmento, l’orientamento della superficie e altre qualità della superficie influiscono in modo significativo sulle radiazioni.
Questo procedimento veicola l'energia tramite onde elettromagnetiche, dette energia radiante. Gli oggetti caldi in un ambiente più freddo emettono energia termica. L'energia radiante può spostarsi dalla sua origine verso ambienti più freddi.
La radiazione solare, che riceviamo dal sole nonostante la sua distanza, è l'esempio più notevole di radiazione.
Principali differenze tra conduzione, convezione e radiazione
- La conduzione è il trasporto fisico del calore nei solidi, la convezione è il movimento del calore tra i fluidi e l'irraggiamento è il processo di trasferimento del calore tramite onde elettromagnetiche.
- La conduzione avviene nei solidi, la convezione nei liquidi e nei gas e la radiazione in tutti gli stati della materia, anche nel vuoto.
- La conduzione è più lenta della convezione, che è più veloce della radiazione.
- La conduzione e la convezione non seguono la regola della rifrazione e della riflessione, a differenza della radiazione.
- La differenza di temperatura provoca la trasmissione del calore per conduzione, mentre la convezione è causata da differenze di densità e temperature superiori a 0 K causano radiazione.
- La conduzione avviene nei solidi a seguito di collisioni molecolari. Al contrario, nei fluidi la convezione avviene a causa del flusso delle molecole, mentre nello spazio avviene la radiazione anche senza uno scambiatore di calore.
Conclusione
Quindi, il calore è il trasferimento di energia da un sistema a un altro causato da una differenza di temperatura, che può verificarsi nei seguenti modi: conduzione, convezione e irraggiamento.
La termodinamica è la scienza che studia la trasmissione del calore e le trasformazioni che avvengono a causa di essa. Il flusso di calore da una regione più calda a una più fredda è chiamato conduzione. La convezione è il trasferimento di calore che avviene quando un fluido si muove su e giù. Quando il calore attraversa uno spazio vuoto si parla di radiazione.
Questi tipi di trasmissione del calore sono spesso fraintesi, ma si basano su varie interazioni fisiche per trasmettere energia.
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