Nei corsi di Termodinamica è stato definito il calore come una forma di energia (Primo Principio) che transita spontaneamente da un corpo a più elevata temperatura verso un corpo a più bassa temperatura (Secondo Principio). La Termodinamica, tuttavia, non stabilisce i meccanismi attraverso i quali il calore si propaga, né fornisce informazioni sulla durata del processo di scambio né tantomeno su come varia la temperatura all’interno del sistema e nel tempo. La soluzione di questa classe di problemi è compito della Trasmissione del calore che costituisce una disciplina complementare e non alternativa alla Termodinamica ed ai cui principi obbedisce.
Si dice che lo scambio termico avviene in regime transitorio allorché la temperatura assume valori diversi da punto a punto e nel tempo, ossia:
T = T (P, t)
Siamo in presenza di scambio termico in regime stazionario o permanente se la temperatura è indipendente dal tempo sebbene possa assumere valori variabili da punto a punto; cioè:
T = T (P )
In talune circostanze si osserva che le grandezze che caratterizzano il fenomeno di scambio termico assumono uguali valori ad intervalli di tempo uguali. Si parla in questo caso di regime termico periodico. Sebbene si tratti a tutti gli effetti di un regime variabile, la relativa trattazione può prescindere dal tempo.
Le modalità di scambio termico
Un qualsiasi processo di scambio termico può essere ricondotto ad una sovrapposizione di tre meccanismi indipendenti: conduzione, convezione, irraggiamento.
Con il termine conduzione si indica il meccanismo mediante il quale il calore si trasferisce da una regione di un corpo a più alta temperatura verso una regione dello stesso corpo a più bassa temperatura in conseguenza del trasferimento di quantità di moto, che avviene a livello microscopico e come tale non osservabile macroscopicamente, tra le particelle animate da velocità di agitazione più elevata verso quelle animate da velocità di agitazione più modesta per urto molecolare diretto (solidi non metallici, liquidi e gas) ovvero per diffusione degli elettroni liberi (solidi metallici). Il meccanismo della conduzione, perciò,
è il solo responsabile della trasmissione del calore nei corpi solidi opachi.
Si ha scambio termico per convezione quando il calore si trasferisce da un punto all’altro di un mezzo fluido in conseguenza di moti macroscopici di massa detti moti convettivi. In conseguenza di questi ultimi, quantità significative di fluido, ad una data temperatura, possono essere rapidamente trasferite in una regione a temperatura, ad esempio, più bassa dove si raffreddano cedendo, per conduzione, parte della propria energia interna al fluido circostante che si riscalda. Lo scambio termico per convezione, pertanto, può essere visto come uno scambio termico conduttivo potenziato dal moto nel fluido.
La presenza di gradienti di temperatura in seno ad un fluido origina gradienti di densità i quali sono responsabili dei cosiddetti moti convettivi naturali. Si parla in questo caso di trasferimento di calore per convezione naturale o libera.
In molti casi, al moto convettivo naturale (sempre presente) si sovrappone un moto prodotto da mezzi meccanici esterni (si pensi ad una pompa, un ventilatore, un agitatore). Se quest’ultimo è dominante rispetto a quello naturale, si usa parlare di convezione forzata. Esistono anche casi in cui il moto imposto dall’esterno produce effetti paragonabili. a quello naturale. Si parla allora di convezione mista.
A differenza di quanto visto per la conduzione e per la convezione, lo scambio termico per irraggiamento non richiede necessariamente la presenza di un mezzo materiale tra i corpi che partecipano allo scambio. Anzi, la presenza di un mezzo lo ostacola riducendone l’efficacia. L’irraggiamento, pertanto, è l’unico responsabile dello scambio termico tra corpi separati dallo spazio vuoto.
All’origine di questo meccanismo sta il fatto che qualunque corpo, ad una qualunque temperatura, emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche in misura, a parità di ogni altra condizione, tanto maggiore quanto più è alta la temperatura. In questa veste l’energia si propaga nello spazio anche vuoto ad una velocità elevatissima (⋍ 3 X 108 m/s) ed allorché investe un corpo viene da questo parzialmente assorbita. Anche il corpo ricevente emette energia raggiante secondo lo stesso meccanismo la quale, in parte, viene assorbita dal primo corpo.
Nasce tra i due corpi un doppio flusso di energia il cui saldo netto costituisce lo scambio termico radiativo.
