Calore

Calore

Solidi, liquidi e gas, rappresentano tre diversi stati (noti anche come fasi). I solidi sono quasi totalmente incompressibili e hanno una forma definita, mentre i liquidi sono quasi incompressibili e i gas sono comprimibili. Per scopi pratici, solidi e liquidi si comprimono così poco che spesso si presume siano incomprimibili. L'acqua può esistere come solido (ghiaccio), liquido (acqua) o gas (vapore).

Il calore è definito come ‘energia termica trasferita tra due sistemi che sono a contatto diretto tra loro, ma a temperature diverse.’ Se il calore viene trasferito a una sostanza, la sostanza cambierà temperatura, o cambierà stato.

Esempio di Cambio di Stato

Una grande quantità di calore viene trasferita a un blocco di ghiaccio, che lo fa sciogliere e diventare acqua.

Esempio di Cambio di Temperatura

Una piccola quantità di calore viene trasferita a dell'acqua, la sua temperatura aumenta, ma il suo stato non cambia.

La differenza importante in entrambi gli esempi è che l'energia può essere trasferita a una sostanza per cambiare la temperatura della sostanza o cambiare lo stato della sostanza. Le differenze tra le due forme di energia sono chiarite nella sezione successiva.

Calore Sensibile e Latente

Il grafico sottostante mostra che l'energia termica aggiunta non causa sempre un cambiamento di temperatura. Il calore sensibile si osserva ogni volta che viene aggiunto calore e la temperatura cambia proporzionalmente (linee inclinate sul grafico). Il calore latente si osserva ogni volta che viene aggiunto calore e non si verifica alcun cambiamento di temperatura (linee orizzontali sul grafico).

Diagramma di Calore Sensibile e Latente

Aggiungendo calore sensibile all'acqua si aumenterà gradualmente la sua temperatura, anche se bollirà solo una volta raggiunta la sua temperatura di saturazione (punto di ebollizione). Alla temperatura di saturazione, non può essere aggiunto altro calore sensibile, ma può essere aggiunto più calore sotto forma di calore latente.

Il calore latente aggiuntivo fa evaporare l'acqua e cambiare stato in gas. Il vapore risultante contiene sia l'energia del calore sensibile che quella del calore latente che è stata trasferita in esso, tuttavia, cambiare l'acqua in gas richiede molta più energia che semplicemente riscaldare l'acqua, quindi il vapore contiene molto più calore latente che calore sensibile. Il calore totale contenuto nel vapore è molto importante, poiché rappresenta la quantità di energia che può essere successivamente utilizzata dal consumatore finale.

Trasferimento di Calore

Come affermato nella seconda legge della termodinamica, l'energia termica (nota anche come calore) viene trasferita dal caldo al freddo. La differenza di temperatura tra due sostanze determina la velocità di trasferimento del calore.

Il calore viene trasferito tramite conduzione, convezione o radiazione. In la maggior parte degli ambienti industriali, il calore viene trasferito tramite una miscela di uno o più di questi mezzi di trasferimento del calore, raramente tramite un solo mezzo.

• Conduzione – il calore viene trasferito direttamente da una molecola all'altra. La conduzione avviene in solidi, liquidi e gas.
• Convezione – il calore viene trasferito da molecole in uno stato fluido. La convezione può essere forzata (utilizzando una pompa o un ventilatore), o naturale, a causa delle differenze di temperatura e densità nel fluido. I due tipi di convezione sono noti come convezione forzata e convezione naturale.
• Radiazione – il calore viene trasferito tramite energia radiante (onde elettromagnetiche). L'energia radiante viene trasferita solo a oggetti opachi, cioè oggetti che non permettono il passaggio della luce.

Conduzione, Convezione e Radiazione

Conduzione 

La conduzione avviene in solidi, liquidi e gas. La capacità di una sostanza di assorbire calore tramite conduzione è indicata come la sua conduttività termica. Generalmente, i solidi hanno una conduttività termica più alta rispetto ai liquidi perché le molecole sono più vicine tra loro. Allo stesso modo, i liquidi generalmente hanno una conduttività termica più alta rispetto ai gas. L'aria ha una bassa conduttività termica, motivo per cui i materiali isolanti spesso hanno grandi spazi/tasche d'aria.

Si noti che la conduttività termica si basa sul materiale, non sul suo stato/fase. Ad esempio, molti tipi di legno hanno un valore di conduttività termica inferiore rispetto all'acqua, ma il legno è un solido e l'acqua è un liquido. 

Esempio di Conduzione

Se un'estremità di una barra di metallo viene riscaldata in un fuoco, mentre l'altra estremità no, le molecole della barra di metallo riscaldata trasferiranno il loro calore alle molecole vicine -più fredde-. Il processo continua permettendo al calore di essere condotto dall'estremità calda della barra all'estremità fredda.

Nel caso delle caldaie, la conduzione avviene quando il calore viene trasferito dalle superfici di riscaldamento interne della caldaia alle superfici di riscaldamento esterne.

Convezione 

La convezione può essere forzata o naturale. La convezione forzata richiede una pompa o un ventilatore ecc. La convezione naturale avviene a causa delle differenze di temperatura nel fluido (le molecole calde sono meno dense delle molecole fredde, motivo per cui hanno una tendenza naturale a salire sopra di esse). 

Esempio di Convezione

Riscaldare l'acqua in una pentola fa sì che le molecole riscaldate diventino meno dense e quindi salgano in cima alla pentola a causa della convezione naturale; molecole più fredde e più dense occupano quindi lo spazio dove erano le molecole riscaldate.

L'effetto camino (noto anche come effetto camino) è un esempio di convezione naturale. L'immagine sottostante mostra una torre di raffreddamento a tiraggio naturale. La torre di raffreddamento consente all'aria più fresca di entrare attraverso la base, dove viene poi riscaldata dall'acqua calda. L'aria calda -meno densa- sale quindi in cima alla torre, il che fa sì che l'aria più fresca venga aspirata attraverso la base della torre. In questo modo, è possibile utilizzare grandi volumi di aria per raffreddare un processo senza utilizzare pompe o ventilatori.

L'Aria Calda (meno densa) Sale e Viene Sostituita dall'Aria Più Fredda (più densa)

Nel caso delle caldaie, la convezione avviene quando l'acqua più vicina alle superfici di riscaldamento interne viene riscaldata e diventa meno densa. L'acqua meno densa fluisce verso l'alto e viene sostituita da acqua più fredda e più densa; il processo è continuo.

Radiazione

L'energia radiante viene trasferita in energia termica solo quando le onde elettromagnetiche impattano su una sostanza che non permette il passaggio della luce, cioè la sostanza è opaca. Ad esempio, il sole trasmette energia radiante, ma questa energia diventa energia termica solo quando incontra un oggetto opaco, cioè la terra.

La quantità di energia che una sostanza può trasferire tramite radiazione dipende in gran parte dalla sua temperatura e emissività. La capacità di una superficie di emettere radiazione termica è misurata dalla sua emissività. Generalmente, le superfici ruvide e scure hanno un coefficiente di emissività più alto rispetto alle superfici lisce e lucide.

Nel caso delle caldaie, l'energia radiante viene rilasciata durante la combustione e viene trasmessa sulle superfici di riscaldamento interne opache della caldaia, dove si trasforma in energia termica. Si noti che l'energia radiante viene trasferita solo per linea di vista.

Esempio di Radiazione

Se un operatore di caldaie apre la porta del forno della caldaia, sentirà il calore perché le onde elettromagnetiche si propagano verso l'esterno dal forno all'operatore. Se la porta viene poi chiusa, le onde elettromagnetiche non possono più propagarsi verso l'esterno e il calore non viene più percepito. L'aria tra il forno e l'operatore non viene riscaldata dalle onde elettromagnetiche perché l'aria permette il passaggio della luce (non è opaca). Solo le sostanze opache con una linea di vista diretta al luogo di combustione saranno influenzate dalle onde elettromagnetiche emesse.

Calore Percepito a Causa della Radiazione

Unità di Calore

Il calore è una forma di energia ed è spesso espresso in unità termiche britanniche (Btu) o Calorie (Cal).

• Btu – la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di una libbra d'acqua di un grado Fahrenheit.
• Caloria – la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un grammo d'acqua di un grado Celsius.

Oltre alle unità di Btu e Caloria, viene spesso utilizzata l'unità di Joule .

Calore Specifico

Diverse sostanze richiedono diverse quantità di calore per cambiare temperatura. Per rendere possibile un confronto tra sostanze, alle sostanze viene assegnato un valore di calore specifico (S.H.) , questi valori vengono poi compilati in tabelle. I valori nelle tabelle compilate sono solo approssimazioni, il vero valore di calore specifico di un combustibile viene determinato campionando e analizzando il combustibile in un laboratorio.

Il calore specifico è la quantità di calore necessaria per cambiare un'unità di massa di una sostanza di un'unità di temperatura. Le unità utilizzate dipendono dal fatto che si preferiscano unità imperiali o metriche. Le unità di energia di unità termiche britanniche (Btu) e Joule (J) sono spesso utilizzate nei calcoli del calore specifico.

Esempio 1 (Imperiale)

Il calore specifico può essere calcolato come la quantità di calore necessaria per cambiare una libbra di un materiale di un grado Fahrenheit. Le unità di capacità termica specifica imperiali sono Btu/lb°F.

Esempio 2 (Metrico)

Il calore specifico può essere calcolato come la quantità di energia termica necessaria per cambiare un chilogrammo di un materiale di un grado Kelvin. Le unità di capacità termica specifica metriche sono J/kgK. Si noti che un Celsius è equivalente a un Kelvin in magnitudine, quindi l'unità J/kg°C fornisce gli stessi valori di capacità termica specifica di quando citato in J/kgK.

I valori di calore specifico di varie sostanze sono forniti nella tabella sottostante.

Valori di Calore Specifico di Varie Sostanze

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Risorse Aggiuntive

https://www.chem.purdue.edu/gchelp/atoms/states.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_energy

https://en.wikipedia.org/wiki/Sensible_heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_heat_capacity

https://en.wikipedia.org/wiki/Convection_(heat_transfer)

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction

https://www.daikin.co.uk/en_gb/faq/what-is-the-difference-between-sensible-and-latent-heat-1.html