TRASMISSIONE DEL CALORE

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Vanessa Costanzo
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1 TRASMISSIONE DEL CALORE Testi di riferimento: ÇENGEL Y. A., Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw-Hill, Milano, GUGLIELMINI G., PISONI C., Elementi di trasmissione del calore, Editoriale Veschi, KREITH F., Principi di trasmissione del calore, Liguori Editore, 1975.

2 TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE Calore: forma di energia che si trasmette attraverso i confini di un sistema in conseguenza di una differenza di temperatura tra il sistema e l'esterno. Il 1 Principio della termodinamica esprime il principio di conservazione dell'energia: L = 0 Q = U la quantità di calore scambiata da un sistema termodinamico in una trasformazione in cui non si ha scambio di lavoro meccanico è pari alla variazione del contenuto energetico del sistema. Il 2 Principio della termodinamica esprime il verso spontaneo delle trasformazioni termodinamiche: il calore si propaga T spontaneamente nella direzione delle temperature decrescenti. 50 distribuzione di temperatura ϕ flusso termico 20 x tc-1

3 Condizione necessaria e sufficiente affinché una trasformazione termodinamica si verifichi è che soddisfi il 1 e il 2 principio della termodinamica. Trasformazione termodinamica 1 principiodellatermodinamica 2 principiodellatermodinamica Termodinamica classica: consente di determinare la quantità di calore scambiata da un sistema termodinamico che esegue una trasformazione, senza fornire indicazioni circa le modalità con cui tale processo si realizza. Trasmissione del calore: studia i meccanismi di scambio termico mediante appropriate relazioni sia teoriche sia empiriche che consentono il calcolo del flusso termico trasmesso a causa di una determinata differenza di temperatura. tc-2

4 Esempio Thermos contenente caffè bollente. Termodinamica classica 2 principio della termodinamica il caffè si raffredda (Q < 0) 1 principio della termodinamica t 1 = temperatura iniziale del caffè t 2 = temperatura finale del caffè Q = m caffè c caffè (t 2 t 1 ) Trasmissione del calore È possibile determinare: i differenti meccanismi di scambio termico che governano il processo; il tempo impiegato dal caffè per raffreddarsi da t 1 a t 2 ; la distribuzione temporale e spaziale di temperatura nel caffè e nel thermos. tc-3

5 MECCANISMI DI SCAMBIO TERMICO convezione radiatore - aria 80 irraggiame nto radiatore pareti 20 conduzione alluminio convezione acqua - alluminio Conduzione termica: trasferimento di energia che si verifica all'interno di corpi solidi o fluidi in quiete. Il calore si trasmette per contatto diretto tra le particelle che costituiscono la materia a livello microscopico: nei fluidi a causa delle collisioni che si verificano tra gli atomi o le molecole durante il loro moto casuale; nei solidi a causa della vibrazione degli atomi o delle molecole all'interno del reticolo cristallino; nei metalli si ha trasferimento di calore anche a causa del movimento di elettroni liberi. tc-4

6 Convezione termica: trasferimento di energia tra una superficie solida ed un fluido adiacente in movimento rispetto ad essa effetto combinato di conduzione termica e trasporto di massa. Irraggiamento termico: trasferimento di energia conseguente all'emissione e all'assorbimento di onde elettromagnetiche da parte della superficie dei corpi. Ogni corpo a temperatura T > 0 K emette energia termica sotto forma di onde elettromagnetiche come risultato di modificazioni nella configurazione elettronica degli atomi o delle molecole. La trasmissione del calore per irraggiamento tra due corpi a differente temperatura non richiede la presenza di un mezzo interposto (si ha anche nel vuoto) e avviene alla velocità della luce. tc-5

7 N.B. 1) La conduzione e l'irraggiamento sono meccanismi fisici fondamentali, mentre la convezione è un processo combinato di conduzione e trasporto di materia. 2) Nella maggior parte dei problemi di scambio termico i tre meccanismi sono presenti simultaneamente meccanismi combinati di scambio termico. T 1 > T 2 T 1 > T 2 T 1 > T 2 solido opaco gas trasparente vuoto T 1 T 2 T 1 irraggiamento T 2 T 1 T 2 conduzione irraggiamento o convezione conduzione tc-6

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