Il trasferimento di calore avviene attraverso tre meccanismi principali: conduzione, dove le molecole che vibrano rigorosamente trasferiscono la loro energia ad altre molecole con energia inferiore; convezione, in cui il movimento di massa di un fluido provoca correnti e vortici che favoriscono la miscelazione e la distribuzione dell'energia termica; e radiazione, dove un corpo caldo emette energia che può agire su un altro sistema tramite onde elettromagnetiche. La convezione e la conduzione sono i due metodi più importanti di trasferimento di calore nei liquidi e nei gas.
Conduzione Generale
La conduzione si verifica tipicamente nei solidi. I fornelli elettrici utilizzano il trasferimento di calore conduttivo per portare a ebollizione una pentola d'acqua: l'energia termica viene trasferita dal fornello caldo alla pentola fredda, facendo aumentare la temperatura dell'acqua. La conduzione avviene a causa della vibrazione delle molecole. In una sostanza solida, gli atomi, disposti molto strettamente in strutture reticolari, hanno pochissima libertà di muoversi nello spazio. Man mano che il bruciatore si riscalda, gli atomi nel metallo iniziano a vibrare sempre più velocemente man mano che la loro energia aumenta. Quando metti la pentola d'acqua fresca sul fornello, crei un gradiente di temperatura, un luogo in cui fluire il calore. Poiché l'energia fluisce da cose calde a cose più fredde, gli atomi vibranti del bruciatore trasferiscono parte del loro calore agli atomi che compongono il metallo della tua pentola d'acqua. Questo fa vibrare gli atomi del vaso, trasferendo la loro energia all'acqua.
Conduzione in gas e liquidi
La conduzione è più comune ai solidi, ma in linea di principio può - e succede - accadere nei liquidi e nei gas, ma non molto bene. Poiché le molecole dei fluidi hanno una maggiore libertà di movimento rispetto ai solidi, c'è meno possibilità che le molecole vibranti si scontrino con un'altra e trasferiscano energia in tutto il fluido. In effetti, l'aria è un conduttore così scadente che viene utilizzata per isolare le case. Alcune finestre ad alta efficienza energetica hanno "intercapedini d'aria" tra di loro che creano una sacca d'aria tra l'interno della casa e l'aria fredda esterna. Poiché l'aria non conduce molto bene il calore, più calore rimane all'interno della casa poiché l'aria rende difficile l'uscita di questa energia termica all'esterno.
Convezione
La convezione è di gran lunga il modo più efficiente e comune per trasferire il calore attraverso liquidi e gas. Si verifica quando alcune regioni di un fluido diventano più calde di altre, causando correnti nel fluido che lo muovono per distribuire quel calore in modo più uniforme. Pensa a una casa in inverno. Potresti aver notato che l'attico è sempre molto caldo mentre il seminterrato è tipicamente fresco. Questo accade perché quando l'aria si riscalda, diventa leggera, facendola salire verso il soffitto. L'aria fredda è molto più pesante e cade sul pavimento. Quando l'aria calda si sposta verso il soffitto e l'aria fredda scende, questi due tipi di aria si scontrano e si mescolano, causando il calore dal braccio caldo per trasferirsi all'aria più fresca e quindi distribuire il calore in tutta la stanza.
Radiazione
Le radiazioni si verificano quando un corpo si surriscalda abbastanza da emettere energia elettromagnetica. Il sole è un classico esempio di trasferimento di calore radiativo: è molto lontano nello spazio, ma è abbastanza caldo da farti sentire il suo calore. Senti questo calore a causa delle radiazioni, e anche in una giornata fredda il sole è caldo. L'energia elettromagnetica può viaggiare attraverso lo spazio vuoto e può causare il surriscaldamento di un oggetto bersaglio da lontano. Il trasferimento di calore per irraggiamento non si verifica comunemente nei liquidi e nei gas.