Fisica Tecnica Ambientale TRASMISSIONE DEL CALORE PER IRRAGGIAMENTO

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1 PUNTO ENERGIA Fisica Tecnica Ambientale TRASMISSIONE DEL CALORE PER IRRAGGIAMENTO Con il patrocinio del: Davide Astiaso Garcia Sapienza Università di Roma

2 Come si caratterizza un'onda Lunghezza d onda [m] ( ) Distanza, in un onda periodica, fra due creste successive o fra due punti con uguale velocità (vettoriale). Frequenza [Hz=s -1 ] (f oppure ) Numero di ripetizioni di un onda nell unità di tempo. Nel campo del visibile caratterizza il colore della luce. Periodo [s] (T) Intervallo di tempo fra due ripetizioni di onda uguali. T Velocità [m/s] (v) Velocità di movimento del fronte d onda. Dipende dal mezzo in cui si propaga la radiazione (velocità nel vuoto c m/s. In un altro mezzo vmedia * = c/n dove n è l indice di rifrazione del mezzo N vuoto = 1, n aria = (v aria = c), n vetro ~1.5 (v vetro ~ 0.67 c). Ampiezza (A) Distanza verticale tra un massimo e l asse delle ascisse 1 f Legata alla quantità di energia trasportata. v T f

3 Le onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche sono classificabili a seconda delle loro caratteristiche e del loro impiego nei vari campi della tecnica, in base alla lunghezza d'onda od anche alla frequenza, in quanto queste grandezze sono legate fra loro dalla seguente espressione: c = f dove: c = km/s velocità della luce nel vuoto = lunghezza d'onda (metri) f = frequenza (Hertz = sec-1) La luce fa parte delle onde elettromagnetiche. 3

4 Le onde elettromagnetiche Qualunque tipo di onda è sempre costituita dall'alternanza di due tipi diversi di energia, che nel caso dell'onda elettromagnetica sono quella elettrica e quella magnetica. Le oscillazioni del campo elettrico e di quello magnetico avvengono dunque perpendicolarmente alla direzione di propagazione, e i due campi sono inoltre ortogonali tra loro. Sono quindi onde trasversali ( chiamate anche TEM).

5 Una radiazione elettromagnetica consiste in pacchetti discreti di energia, chiamati FOTONI, la cui energia dipende dalla frequenza, secondo l'equazione: E = h. dove h indica la costante di Planck: h = J. s L'energia di un fotone viene a volte espressa anche in elettronvolt (1eV= J). Quindi: ENERGIA E FREQUENZA SONO DIRETTAMENTE PROPORZIONALI Per un onda elettromagnetica la frequenza dipende solo dalla sorgente ed è indipendente dal mezzo in cui l onda si propaga. Questa relazione ci indica l'energia associata a ciascun fotone per ogni fascio di frequenza n; per cui un fascio di luce è più o meno intenso a seconda che porti più o meno fotoni nell'unità di tempo, ma l'energia di ciascun fotone (il quanto di energia), è sempre la stessa per una determinata frequenza della radiazione.

6 La radiazione elettromagnetica La luce è un fenomeno ondulatorio di una particolare forma di energia, l ENERGIA ELETTROMAGNETICA. Una radiazione elettromagnetica può considerarsi costituita da onde elettromagnetiche, onde di energia che si ripetono periodicamente, con valore costante, nella direzione di propagazione. Contrariamente alle analoghe onde oceaniche che hanno un moto molto lento, le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce: metri al secondo, chilometri l'ora!

7 Radiazione elettromagnetica È costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti nello spazio e nel tempo che si propaga lunga una direzione. Il campo elettrico e magnetico sono perpendicolari tra loro ed alla direzione di propagazione dell onda.

8 Scambio termico per irraggiamento 8 Lo scambio termico per irraggiamento avviene tramite l'emissione o la ricezione di onde elettromagnetiche da parte di più corpi. Ogni corpo ad una certa temperatura T emette e riceve radiazioni elettromagnetiche con una certa intensità che può essere variabile nel tempo, indipendentemente dal mezzo in cui si trova, quindi anche nel vuoto.

9 9 Se si pone un recinto attorno al corpo alla sua stessa temperatura, la temperatura del corpo non varia. Infatti, congruamente al Primo Principio della Termodinamica, i corpi si scambiano calore a seconda della differenza di temperatura a cui si trovano, e ciò si verifica anche per l'irraggiamento: è sufficiente che i corpi si vedano, e se sono alla stessa temperatura, lo scambio di onde elettromagnetiche è in condizioni di equilibrio. Si può così verificare concettualmente che i corpi che possono scambiarsi calore solo per irraggiamento vanno in equilibrio termico quando tante radiazioni emettono quante ne ricevono.

10 IRRAGGIAMENTO 10 Trasferimento di energia per onde elettromagnetiche Funzione della temperatura (Tutte le superfici ad una temperatura superiore a 0 K emettono onde elettromagnetiche in funzione della temperatura) Non richiede la presenza di un mezzo interposto (avviene anche nel vuoto) Trasmissione alla velocità della luce Onda semplice: sinusoide con frequenza f Lunghezza d'onda: = c / f c = velocità della luce: le onde elettromagnetiche trasportano energia alla velocità di km/s nel vuoto insieme delle lunghezze d onda = spettro elettromagnetico

11 11 Esistono diversi tipi di onde elettromagnetiche, ciascuno prodotto da una differente causa: raggi gamma sono prodotti da reazioni nucleari, raggi X sono prodotti dal bombardamento di metalli con elettroni di alta energia, le microonde sono prodotte da speciali tubi elettronici come il magnetron, le onde radio sono prodotte dal flusso di corrente alternata in conduttori elettrici la radiazione termica è causata dalla temperatura dei corpi.

12 L irragiamento termico 12 L irraggiamento pertanto si occupa non dello studio di tutta la radiazione elettromagnetica ma solo dello studio della radiazione termica cioè dell energia elettromagnetica emessa dai corpi a causa della loro temperatura.

13 13 Le radiazioni elettromagnetiche differiscono molto nel loro comportamento al variare della lunghezza d onda. Esse coprono un esteso campo di lunghezze d onda variabile da meno di 10-9 mm per i raggi cosmici a più di mm per le onde elettriche di potenza.

14 Lo spettro elettromagnetico Si chiama spettro elettromagnetico l insieme delle frequenze delle onde elettromagnetiche.

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16 IRRAGGIAMENTO 16 In figura è illustrato tutto lo spettro della radiazione elettromagnetica.

17 Radiazioni lunghezza d onda e temperatura T 17 La radiazione elettromagnetica emessa da un corpo per irraggiamento varia sensibilmente al variare della temperatura del corpo, della lunghezza d'onda, del materiale costituente il corpo e del trattamento superficiale di quest ultimo.

18 IRRAGGIAMENTO 18 Onde radio 10 km < < 1 m Radiazione solare: metà visibile e metà UV+IR 0.1 < < 3 mm Radiazione termica infrarosso (IR) 0.1 < < 100 mm IR: T < 800K T > 800K (visibile) 0.76 < < 100 mm 0.4< <0.76 mm lampadina a incandescenza: filamento di tungsteno a 2000K UV: bassa (0.01 < < 0.4 mm) Spettro visibile 0.4 < < 0.76 mm Violetto: mm Blu: mm Verde: mm Giallo: mm Arancio: mm Rosso: mm

19 Le onde radio Le onde radio occupano la parte a bassa frequenza dello spettro, con lunghezze d onda comprese tra 10 km e 10 cm.

20 I segnali televisivi I segnali televisivi viaggiano su onde che hanno lunghezza d onda dell ordine del metro.

21 Le microonde La lunghezza d onda delle microonde è compresa tra qualche decina di centimetri e il millimetro.

22 La radiazione visibile La radiazione visibile è costituita dalle onde elettromagnetiche che percepiamo sottoforma di luce. Questa parte dello spettro elettromagnetico è compresa tra la lunghezza d onda di 7 x 10-7 m (rosso) e 4 x 10-7 m (violetto).

23 La radiazione infrarossa A lunghezze d onda maggiori si 7 x 10-7 m e fino a 1 mm si trova la radiazione infrarossa. Il campo dell infrarosso è caratteristico dei corpi a temperature non elevatissime (da temperatura ambiente a poche centinaia di gradi) ed è in questo intervallo che avviene la trasmissione del calore (radiazione termica) fra superfici di interesse per le applicazioni civili (strutture edilizie, corpo umano, ambiente esterno).

24 Astronomia a raggi infrarossi Grazie alle radiazioni infrarosse è possibile osservare corpi celesti freddi invisibili. altrimenti

25 La radiazione ultravioletta A lunghezze d onda minori di 4 x 10-7 m e fino a 10-8 m si trova la radiazione ultravioletta. I raggi ultravioletti hanno la proprietà di favorire diverse reazioni chimiche, come la produzione di melatonina nella pelle, ma un eccessiva esposizione può procurare danni gravi proprio alla pelle e agli occhi.

26 I raggi X I raggi X hanno lunghezze d onda comprese tra 10-8 m e m.

27 I raggi gamma A lunghezze d onda minori di m si trovano i raggi gamma. Sono trasmessi naturalmente dai nuclei durante le trasformazioni radioattive e le reazioni nucleari. I raggi gamma hanno una grande capacità di ionizzare gli atomi e possono essere pericolosi per gli esseri viventi.

28 Temperatura ed Energia 28 Come si è visto la temperatura è una misura del contenuto energetico di un corpo a livello microscopico, legato ai campi elettromagnetici atomici e molecolari elementari. Questi campi elettromagnetici elementari causano una emissione energetica e tutta la materia, che si trovi a temperatura superiore allo 0 K, nelle sue varie forme, emette energia elettromagnetica a diversa lunghezza d onda.

29 29 Per i gas ed i solidi semitrasparenti l emissione è un fenomeno volumetrico, ovvero la radiazione è l effetto di una emissione locale ed attraversa il volume Per solidi, liquidi (e nel seguito per tutte le sostanze in generale), la radiazione verrà considerata come un fenomeno superficiale: la radiazione emessa dalle particelle in profondità è fortemente assorbita dalle particelle adiacenti La radiazione, emessa da un solido o da un liquido, è originata solamente dalle molecole che si trovano ad una profondità pari approssimativamente ad 1 mm dalla superficie esterna

30 Tutti i corpi materiali (in genere corpi condensati, ma anche i liquidi ed i gas) emettono energia per il solo fatto di possedere una temperatura; in tal caso si parla di corpi eccitati termicamente che emettono energia per temperatura. 30 L emissione è legata alle condizioni energetiche degli atomi del corpo emittente e intesa come quantità di calore (irraggiato o ricevuto), che si indica con Q (e si misura in [J]). L energia emessa da una sorgente sull unita di tempo (flusso o potenza raggiante) si indica con: q e si misura in [W]. E da notare che tale flusso può essere riferito sia alla energia che viene emessa da una superficie, sia all energia ricevuta da una superficie.

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32 L energia solare: la radiazione Il grafico dove ad ogni lunghezza d onda corrisponde una specifica quantità di energia per unità di tempo e per unità di superficie si chiama spettro di emissione. Lo spettro della radiazione proveniente dal Sole si colloca fra le lunghezze d onda 0,15μm e 4 μm (ossia fra il vicino infrarosso e il vicino ultravioletto) passando per la luce visibile dove viene registrato il massimo dell intensità in corrispondenza delle frequenze della luce gialla e verde (circa 0.5 μm).

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43 LA DOPPIA NATURA DELLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA PUÒ ESSERE DESCRITTA COME UN FASCIO DI FOTONI Nel 1900, il fisico tedesco Max Planck ( ) propose che la radiazione elettromagnetica fosse costituita da fasci di minuscoli «pacchetti» o quanti di energia, che più tardi vennero chiamati fotoni. Ciascun fotone viaggia alla velocità della luce. Albert Einstein ( ) confermò successivamente il suggerimento di Planck: l energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione elettromagnetica e non alla sua intensità o luminosità (legge di Planck), come si era creduto fino a quel momento: c

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47 Irraggiamento: definizioni Emittanza globale M M 0 dq da d M d dq da q M da A W m 2 47 Radiazione emessa per unità di superficie e unità di tempo: solo quella emessa da superficie Radiosità J J d 2 m 0 W Radiazione che lascia una superficie per unità di superficie e unità di tempo: emessa + riflessa Irradiazione E E d 2 m 0 W Radiazione incidente su una superficie per unità di superficie e unità di tempo

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54 Corpi grigi e corpi reali 54

55 Emissività di un corpo M (, T) M n (, T) Rapporto tra l emittanza del generico corpo e quella del corpo nero 55 M (, T) e (,T) s SB T 4

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57 IRRAGGIAMENTO: Spettro solare 57

58 Termografia di un edificio 58

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