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Physics of heat transfer

Heat


Il calore è il trasferimento di energia termica che avviene in presenza di un gradiente di temperatura (ossia una differenza di temperatura). Il calore fluisce sempre da un sistema a temperatura più alta a uno a temperatura più fredda fino a che non viene raggiunto l'equilibrio termico.
Il calore, in quanto energia, si misura in J (Joule) = (kg m2)/s2, ma spesso per questioni pratiche si utilizzano altre unità come ad esempio i kWh (kilowattora) o la caloria, definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di un grammo d'acqua da 14,5 °C a 15,5 °C.
1 cal = 4.187 J
1 kWh = 3600 kJ = 859.8 kcal

Thermal capacity


Si definisce capacità termica il rapporto tra la quantità di calore fornita ad un corpo e il risultante aumento di temperatura:
 C = Q / ∆T
Nel sistema internazionale si misura in J/°K.
La capacità termica è una proprietà fisica che scala con la massa di un sistema. Ovvero, per una massa due volte più grande di una determinata sostanza è necessario il doppio del calore per ottenere lo stesso aumento di temperatura
Per due corpi composti della stessa sostanza, più grande è la massa, più grande è la capacità termica.
Perciò maggiore massa significa maggiore capacità termica. Possedere più massa può essere svantaggioso quando si tratta di riscaldare, perché viene richiesta più energia per ottenere lo stesso aumento di temperatura, ma è invece vantaggioso nel caso in cui si voglia evitare un abbassamento di temperatura.

Specific heat


Il calore specifico è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di 1 kg di una certa sostanza. Nel sistema internazionale si misura in J/(kg °K).

Calore specifico di alcune sostanze comuni (in condizioni standard):
 Sostanza Stato J/(kg K)
 Alluminio Solido 880
 Acciaio INOX Solido 502
 Acqua Liquido 4186
 Acqua (Ghiaccio) Solido 2260
 Aria Gassoso 1005
 Ferro Solido 444
 Oro Solido 129
 Rame Solido 385
 Polistirene Solido 1450

Le sostanze con calore specifico più alto sono quelle più "difficili da scaldare o raffreddare".
Per questo, ad esempio, d'estate facciamo il bagno al mare per rinfrescarci. Perché a parità di calore fornito, per irraggiamento dal sole, l'aumento di temperatura dell'acqua è minore rispetto a quello dell'aria. Per lo stesso motivo meglio non poggiarsi all'auto parcheggiata al sole!

Il calore specifico può essere espresso in vari modi, dato che dipende dalla trasformazione termodinamica a cui una sostanza è sottoposta. I due valori generalmente utilizzati sono: il calore specifico a pressione costante, cp, e il calore specifico a volume costante, cv.
Per i solidi e i liquidi, che sono poco dilatabili, la differenza tra 
cp e cv è generalmente molto piccola, ma può non essere del tutto trascurabile.

Il calore specifico è una quantità sufficientemente precisa per la maggioranze degli scopi pratici. Tuttavia per una trattazione rigorosa si deve tener conto della sua dipendenza dalla temperatura. Per questo motivo per scopi teorici si usa la capacità termica, definita come:
C = m c
dove m è la massa e c il calore specifico per unità di massa.


Work


Il lavoro può essere espresso come la forza applicata per lo spostamento nella direzione della forza:
 W = F l
dove è il lavoro, è la forza e l la distanza. 

La forza si misura in N (Newton) = (kg m)/s2

Il lavoro si misura in Nm (1 Nm = 1 J).





Laws of thermodynamics


  1. L'energia si trasforma, ma non può essere né creata, né distrutta. Nella formulazione più comune dU=dQ-dW, dove dU è la variazione di energia interna di un sistema, dQ la quantità di calore fornito al sistema e dW il lavoro prodotto dal sistema. 
  2. L'entropia di un sistema isolato non può diminuire. In altre parole questa legge sancisce l'irreversibilità di molti processi termodinamici, come il trasferimento di calore da un corpo caldo ad uno freddo.  
  3. E' impossibile raggiungere lo zero assoluto in un numero finito di trasformazioni. L'entropia allo zero assoluto è nulla. Lo zero assoluto (°K = -273.15 °Cè la temperatura a cui le molecole sono ferme, ovvero hanno energia cinetica nulla.

Heat transfer mechanisms


  • Conduction: l'energia cinetica delle molecole (ovvero l'agitazione termica) viene trasferita tra corpi in contatto fisico tra di loro attraverso la materia stessa, senza movimenti macroscopici.
  • Convection: l'energia viene trasferita da un corpo all'altro grazie al movimento di un fluido, generalmente un liquido o un gas
  • Radiation: l'energia viene trasferita per mezzo di emissione o assorbimento di radiazione elettromagnetica.

Heat in the human body


Anche quando è in stato di quiete, il corpo umano produce continuamente calore come risultato del metabolismo di sostanze nutritive che forniscono l'energia necessaria per le funzioni vitali. In aggiunta al calore prodotto in stato di quiete, qualunque attività fisica causa un ulteriore aumento del calore prodotto dal corpo. Questo in parte è dovuto al lavoro, e di conseguenza al calore, prodotto dalle contrazioni muscolari e in parte all'aumento del metabolismo legato all'incremento dell'energia richiesta.

Per non compromettere le funzioni vitali e non nuocere alla salute, il corpo umano deve, però, mantenere una temperatura interna pressoché costante, prossima ai 37°C. Da un lato il corpo intero, fino alle estremità degli arti, deve essere costantemente riscaldato. Dall'altro il calore in eccesso deve essere dissipato in maniera efficiente. Il processo di termoregolazione del corpo umano è ottenuto principalmente tramite due meccanismi: la circolazione sanguigna e la sudorazione.

E' il calore latente di evaporazione del sudore il maggior responsabile della perdita di calore del corpo umano. Quando la temperatura interna del corpo aumenta, le ghiandole sudoripare nel derma iniziano a produrre sudore e lo emettono attraverso i pori cutanei sulla superficie della pelle. Il sudore emesso in forma liquida porta con sé una certa quantità di calore verso l'esterno. In seguito, evaporando, il sudore rimuove efficacemente calore dalla superficie del corpo. Il tasso di perdita di calore per evaporazione dipende sia dalla pressione di vapore presente alla superficie della pelle che dalla quantità di sudore prodotta. Maggiore è la quantità di sudore, maggiore sarà la quantità di calore trasferito all'ambiente esterno.

Il trasferimento di calore dall'interno verso la superficie del corpo, e da qui verso l'ambiente esterno, avviene quindi per convezione grazie al movimento di fluidi, dapprima sudore e poi aria. L'efficienza di trasferimento di calore per convezione del nostro corpo dipende dalla sua superficie totale, dalla velocità dell'aria (ovvero del vento) e dal gradiente di temperatura (cioè la differenza di temperatura) tra il corpo e l'ambiente esterno. Questo è il motivo per cui in presenza di vento forte o temperature basse perdiamo calore molto rapidamente e di conseguenza "sentiamo freddo" se non siamo protetti da un adeguato vestiario. I vestiti possono essere considerati a tutti gli effetti come un isolante termico in quanto costituiscono una barriera al fluire del calore.