CONVEZIONE, CONDUZIONE E IRRAGGIAMENTO

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1 CONVEZIONE, CONDUZIONE E IRRAGGIAMENTO T R AT TO DA: I P ro b l e m i D e l l a F i s i c a - C u t n e l l, J o h n s o n, Yo u n g, S t a d l e r Z a n i c h e l l i e d i t o r e La F i s i c a di A m a l d i Z a n i c h e l l i e d i t o re I n t e g ra z i o n i e LO a c u ra d e l d o c e n t e

2 I PROCESSI DI TRASMISSIONE DELL ENERGIA TERMICA La trasmissione di calore fra oggetti avviene mediante tre processi fondamentali: la convezione, la conduzione e l irraggiamento.

3 LA CONVEZIONE La convezione è il processo di trasferimento del calore mediante spostamento di materia fluida. Il fluido in movimento prende il nome di corrente convettiva.

4 EFFETTI DELLA CONVEZIONE Quando una certa quantità di fluido, per esempio l aria situata in prossimità di una fonte di energia termica si scalda, il suo volume aumenta e la sua densità diminuisce. In accordo con il principio di Archimede, l aria circostante, più fredda e più densa, esercita una spinta idrostatica sull aria più calda e la fa salire verso l alto.

5 MACCHINA DEL FREDDO In un frigo, l aria a contatto con la serpentina posizionata in alto si raffredda il suo volume diminuisce e la sua densità aumenta. Questo squilibrio avvio il processo convettivo dell aria.

6 CONDUZIONE La conduzione è il processo di trasferimento del calore attraverso le sostanze.

7 CONDUZIONE

8 CONDUCIBILITA TERMICA DI ALCUNI MATERIALI Nel Sistema Internazionale, 1 W = 1 J/s è l unità di misura della potenza, per cui la conducibilità termica può essere espressa in W/(m K).

9 IRRAGGIAMENTO L energia emessa dal Sole raggiunge la Terra trasportata da onde luminose visibili e da onde infrarosse e ultraviolette. Tale energia è nota come energia elettromagnetica. L irraggiamento è il processo di trasferimento del calore attraverso onde elettromagnetiche. Vedi simulazione effetto serra.

10 IRRAGGIAMENTO Ogni corpo emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche. Il corpo umano emette nel campo del visibile una quantità di energia insufficiente per renderlo visibile al buio; invece, la radiazione infrarossa emessa dal corpo si può rilevare anche al buio mediante opportune macchine fotografiche.

11 UN USO IMPROPRIO DEL CELLULARE Per verificare il funzionamento di un telecomando a infrarossi basta puntare il telecomando verso il cellulare con la fotocamera attiva. Se il telecomando emette il segnale IR, nel display del cellulare vedremo l impulso luminoso che il nostro occhio non percepisce.

12 RADIAZIONI Di solito un oggetto emette luce visibile apprezzabile quando la sua temperatura raggiunge i 1000 K, in tal caso compare una colorazione rossastra simile a quella dell elemento riscaldatore di un forno elettrico. Un oggetto la cui temperatura raggiunga i 1700 K emette luce bianca, come quella prodotta dal filamento di tungsteno di una lampadina a incandescenza.

13 CORPO NERO Si definisce corpo nero un corpo che assorbe tutta l energia elettromagnetica che lo colpisce. CARATTERISTICHE FISICHE: Superficie scabra Colore nerofumo (opaco) PROPRIETA : Forte assorbimento se esposto a radiazioni Innalzamento repentino della temperatura

14 COME VESTIRE IN ESTATE? Copricapo ampio e riflettente Evitare indumenti di colore scuro

15 LA REALTA NEI FENOMENI QUOTIDIANI

16 LA LEGGE DI STEFAN-BOLTZMANN Josef Stefan Ludwig Boltzmann L energia E irraggiata nell intervallo di tempo t da un corpo a temperatura assoluta T e con una superficie A è E = e σ T 4 A t dove σ = 5, J/(s m 2 K 4 ) è la costante di Stefan-Boltzmann (uguale per tutti i corpi) e è l emissività della superficie (0 e 1)

17 L EMISSIVITA Josef Stefan Ludwig Boltzmann e = energia irradiata dal corpo energia irradiata se fosse un corpo nero Nel caso di un corpo nero e = 1

18 PROBLEMA La supergigante Betelgeuse ha una temperatura superficiale di 2900 K (circa la metà di quella del nostro Sole) e irraggia una potenza di (circa volte maggiore di quella del Sole). Supponi che Betelgeuse sia un emettitore perfetto (e = 1) e abbia forma sferica. Calcola il suo raggio.

19 SOLUZIONE La potenza Energia irraggiata nell unità di tempo è espressa dal rapporto E. Sfruttando la t relazione di Stefan-Boltzmann si ha della sfera: A = 4πr 2. E t = e σ T4 A, dove il raggio è ricavabile dalla superficie Isolando l area si ha: A = E t e σ T 4 ovvero 4πr2 = E t e σ T 4 da cui r = E t 4π e σ T 4. Sostituendo