Il trasferimento di calore occupa un campo che comprende un'ampia gamma di funzioni, dai semplici processi di riscaldamento e raffreddamento degli oggetti a concetti termodinamici avanzati nella fisica termica. Per capire come si raffredda una bevanda in estate o come il calore si propaga dal sole alla Terra, è necessario comprendere a livello fondamentale questi principi base del trasferimento di calore.
Seconda Legge della Termodinamica
La seconda legge della termodinamica afferma che il calore si trasferisce da un oggetto a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa. Gli atomi di energia più alta (e quindi temperatura più alta) si muovono verso gli atomi di energia più bassa (temperatura più bassa) per mantenere l'equilibrio (noto come equilibrio termico). Il trasferimento di calore avviene per mantenere questo principio quando un oggetto si trova a una temperatura diversa da un altro oggetto o dall'ambiente circostante.
Trasferimento di calore per conduzione
Quando le particelle di materia sono a diretto contatto, il calore si trasferisce per conduzione. Gli atomi adiacenti di energia più elevata vibrano l'uno contro l'altro, il che trasferisce l'energia più alta all'energia più bassa, o la temperatura più alta alla temperatura più bassa. Cioè, gli atomi di maggiore intensità e calore vibreranno, spostando così gli elettroni in aree di minore intensità e calore. Fluidi e gas sono meno conduttivi dei solidi (i metalli sono i migliori conduttori) a causa del fatto che sono meno densi, il che significa che c'è una distanza maggiore tra gli atomi.
Trasferimento di calore per convezione
La convezione descrive il trasferimento di calore tra una superficie e un liquido o un gas in movimento. Man mano che il fluido o il gas viaggiano più velocemente, aumenta il trasferimento di calore convettivo. Due tipi di convezione sono la convezione naturale e la convezione forzata. Nella convezione naturale, il movimento del fluido risulta dagli atomi caldi nel fluido, dove gli atomi caldi si muovono verso l'alto verso gli atomi più freddi nell'aria: il fluido si muove sotto l'influenza della gravità. Esempi di ciò includono le nuvole che si alzano di fumo di sigaretta o il calore del cofano di un'auto che si alza verso l'alto. Nella convezione forzata, il fluido è costretto a viaggiare sulla superficie da un ventilatore o pompa o da qualche altra fonte esterna.
Trasferimento di calore e radiazioni
La radiazione (da non confondere con la radiazione termica) si riferisce al trasferimento di calore attraverso lo spazio vuoto. Questa forma di trasferimento di calore avviene senza l'intervento di un mezzo; la radiazione funziona anche nel e attraverso un vuoto perfetto. Ad esempio, l'energia del sole viaggia attraverso il vuoto dello spazio prima che il trasferimento di calore riscaldi la Terra.
Il trasferimento di calore costituisce parte integrante dell'istruzione in materie rilevanti, come nel curriculum di ingegneria chimica o meccanica. La produzione e l'HVAC (riscaldamento, ventilazione e raffreddamento ad aria) sono esempi di industrie che fanno molto affidamento sulla termodinamica e sui principi del trasferimento di calore. La scienza termica e la fisica termica sono campi di istruzione superiori che si occupano del trasferimento di calore.