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 re

L a F i s i c a d i 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

CONVEZIONE, CONDUZIONE E IRRAGGIAMENTO

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.

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.

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.

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.

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

CONDUZIONE

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).

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.

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.

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.

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.

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

COME VESTIRE IN ESTATE?

Copricapo ampio e riflettente

Evitare indumenti di colore

scuro

LA REALTA’ NEI FENOMENI QUOTIDIANI

LA LEGGE DI STEFAN-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 ∙ 𝑇4 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑡

dove

σ = 5,67 ∙ 10−8 J/(s∙m2 ∙K4 ) è la costante di Stefan-Boltzmann (uguale per tutti i corpi)

e è l’emissività della superficie (0 ≤ 𝑒 ≤ 1)

Josef Stefan Ludwig Boltzmann

L’EMISSIVITA’

𝑒 =𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜

𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑎 𝑠𝑒 𝑓𝑜𝑠𝑠𝑒 𝑢𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 𝑛𝑒𝑟𝑜

Nel caso di un corpo nero 𝑒 = 1

Josef Stefan Ludwig Boltzmann

PROBLEMA

La supergigante Betelgeuse ha una temperatura superficiale di 2900 K (circa la metà di quella del

nostro Sole) e irraggia una potenza di 4 ∙ 1030 (circa 10.000 volte maggiore di quella del Sole).

Supponi che Betelgeuse sia un emettitore perfetto (e = 1) e abbia forma sferica.

▸ Calcola il suo raggio.

SOLUZIONE

La potenza Energia irraggiata nell’unità di tempo è espressa dal rapporto 𝐸

∆𝑡. Sfruttando la

relazione di Stefan-Boltzmann si ha 𝐸

∆𝑡= 𝑒 ∙ 𝜎 ∙ 𝑇4 ∙ 𝐴, dove il raggio è ricavabile dalla superficie

della sfera: 𝐴 = 4𝜋𝑟2.

Isolando l’area si ha: A =𝐸

∆𝑡∙𝑒∙𝜎∙𝑇4 ovvero 4𝜋𝑟2 =𝐸

∆𝑡∙𝑒∙𝜎∙𝑇4 da cui r =𝐸

∆𝑡∙4𝜋∙𝑒∙𝜎∙𝑇4.

Sostituendo