Quando cammini sul tappeto in una fredda giornata invernale, non fa freddo ai piedi. Tuttavia, una volta che sali sul pavimento di piastrelle del tuo bagno, i tuoi piedi si sentono immediatamente freddi. I due piani sono in qualche modo con temperature diverse?

Non ti aspetteresti di certo, dato ciò che sai sull'equilibrio termico. Quindi perché si sentono così diversi? Il motivo ha a che fare con la conducibilità termica.
Trasferimento di calore

Il calore è l'energia che si trasferisce tra due materiali a causa delle differenze di temperatura. Il calore fluisce dall'oggetto di temperatura più elevata all'oggetto di temperatura più bassa fino a raggiungere l'equilibrio termico. I metodi di trasferimento del calore includono conduzione termica, convezione e radiazione.

La conduzione termica è la modalità discussa più dettagliatamente più avanti in questo articolo, ma brevemente è il trasferimento di calore tramite contatto diretto. Fondamentalmente le molecole nell'oggetto più caldo trasferiscono la loro energia alle molecole nell'oggetto più freddo tramite collisioni fino a quando entrambi gli oggetti hanno la stessa temperatura.

In convezione
, il calore viene trasferito tramite il movimento. Immagina l'aria di casa tua in una fredda giornata invernale. Hai notato che la maggior parte dei riscaldatori si trova di solito vicino al pavimento? Quando i riscaldatori riscaldano l'aria, quell'aria si espande. Quando si espande, diventa meno denso e quindi sale sopra l'aria più fredda. L'aria più fredda è quindi vicino al riscaldatore, quindi l'aria può riscaldarsi, espandersi e così via. Questo ciclo crea correnti di convezione e fa sì che l'energia termica si disperda attraverso l'aria nella stanza miscelando l'aria mentre viene riscaldata.

Gli atomi e le molecole rilasciano radiazioni elettromagnetiche , che è una forma di energia che può viaggiare attraverso il vuoto dello spazio. Questo è il modo in cui l'energia termica proveniente da un fuoco caldo ti raggiunge e in che modo l'energia termica proveniente dal sole si dirige verso la Terra.
Definizione di conducibilità termica

La conducibilità termica è una misura della facilità con cui l'energia termica si muove attraverso un materiale o quanto bene quel materiale può trasferire calore. La capacità di conduzione del calore dipende dalle proprietà termiche del materiale.

Considerare il pavimento di piastrelle nell'esempio all'inizio. È un conduttore migliore del tappeto. Puoi dirlo semplicemente per sentire. Quando i tuoi piedi sono sul pavimento di piastrelle, il calore ti lascia molto più veloce di quando ti trovi sul tappeto. Questo perché la piastrella consente al calore dei tuoi piedi di attraversarlo molto più rapidamente.

Proprio come la capacità di calore specifica e i riscaldamenti latenti, la conducibilità è una proprietà specifica del materiale a portata di mano. È indicato dalla lettera greca κ (kappa) e di solito è cercato in una tabella. Le unità di conducibilità SI sono watt /metro × Kelvin (W /mK).

Gli oggetti con elevata conducibilità termica sono buoni conduttori mentre gli oggetti con bassa conducibilità termica sono buoni isolanti. Qui viene fornita una tabella con i valori di conducibilità termica.

Come puoi vedere, oggetti che spesso si sentono "freddi" al tatto, come i metalli, sono buoni conduttori. Nota anche quanto è buona l'aria di un isolante termico. Ecco perché le grandi giacche soffici ti tengono caldo in inverno: intrappolano un grande strato d'aria intorno a te. Il polistirolo è anche un eccellente isolante, motivo per cui viene utilizzato per mantenere cibi e bevande caldi o freddi.
Come il calore si muove attraverso un materiale

Mentre il calore si diffonde attraverso il materiale, esiste un gradiente di temperatura in tutto il materiale dall'estremità più vicina alla fonte di calore all'estremità più lontana da esso.

Man mano che il calore si sposta attraverso il materiale e prima che si raggiunga l'equilibrio, l'estremità più vicina alla fonte di calore sarà la più calda e la temperatura sarà diminuisce linearmente al suo livello più basso all'estremità remota. Man mano che il materiale si avvicina all'equilibrio, questo gradiente si appiattisce.
Conduttanza termica e resistenza termica

Quanto bene il calore può muoversi sebbene un oggetto dipenda non solo dalla conducibilità di quell'oggetto, ma dalle dimensioni e dalla forma di anche l'oggetto. Immagina una lunga asta di metallo che conduce calore da un'estremità all'altra. La quantità di energia termica che può passare anche se per unità di tempo dipenderà dalla lunghezza dell'asta e dalla sua grandezza. È qui che entra in gioco la nozione di conduttanza termica.

La conduttanza termica di un materiale, come una bacchetta di ferro, è data dalla formula:
C \u003d \\ frac {\\ kappa A} { L}

dove A
è l'area della sezione trasversale del materiale, L
è la lunghezza e κ è la conducibilità termica. Le unità di conduttanza SI sono W /K (watt per Kelvin). Ciò consente un'interpretazione di κ come conduttanza termica di un'area unitaria per unità di spessore.

Al contrario, la resistenza termica è data da:
R \u003d \\ frac {L} {\\ kappa A}

Questo è semplicemente l'inverso della conduttanza. La resistenza è una misura di quanta opposizione c'è all'energia termica che passa. Anche la resistività termica è definita come 1 /κ.

La velocità con cui l'energia termica Q
si sposta attraverso la lunghezza L
del materiale quando la differenza di temperatura tra le estremità è ΔT
è dato dalla formula:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L}

Questo può anche essere scritto come:
\\ frac {Q} {t} \u003d C \\ Delta T \u003d \\ frac {\\ Delta T} {R}

Nota che questo è direttamente analogo a ciò che accade con la corrente nella conduzione elettrica. Nella conduzione elettrica, la corrente è uguale alla tensione divisa per la resistenza elettrica. La conduttività elettrica e la corrente elettrica sono analoghe alla conduttività termica e alla corrente, la tensione è analoga alla differenza di temperatura e la resistenza elettrica è analoga alla resistenza termica. Si applica la stessa matematica.
Applicazioni ed esempi

Esempio: un igloo emisferico fatto di ghiaccio ha un raggio interno di 3 me uno spessore di 0,4 m. Il calore fuoriesce dall'igloo ad una velocità che dipende dalla conduttività termica del ghiaccio, κ \u003d 1,6 W /mK. A che velocità deve essere generata continuamente energia termica all'interno dell'igloo per mantenere una temperatura di 5 gradi Celsius all'interno dell'igloo quando fuori è -30 C?

Soluzione: L'equazione corretta da usare in questa situazione è l'equazione di prima:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L}

Ti viene dato κ, ΔT
è solo la differenza in l'intervallo di temperatura tra interno ed esterno e L
è lo spessore del ghiaccio. Un video è un po 'più complicato. Per trovare A
devi trovare la superficie di un emisfero. Questa sarebbe metà della superficie di una sfera, che è 4π_r_ ^{2. Per r
, puoi scegliere il raggio medio (il raggio dell'interno dell'igloo + metà dello spessore del ghiaccio \u003d 3,2 m), quindi l'area è quindi:
A \u003d 2 \\ pi r ^ 2 \u003d 2 \\ pi (3.2) ^ 2 \u003d 64.34 \\ text {m} ^ 2}

Collegare tutto nell'equazione quindi dà:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L} \u003d \\ frac {1.6 \\ times 64.34 \\ times 35} {0.4} \u003d 9.000 \\ text {Watts}

Applicazione: un dissipatore di calore è un dispositivo che trasferisce il calore dagli oggetti ad alte temperature al aria o ad un liquido che porta via l'energia termica in eccesso. La maggior parte dei computer ha un dissipatore di calore collegato alla CPU.

Il dissipatore di calore è fatto di metallo, che allontana il calore dalla CPU, quindi una piccola ventola fa circolare l'aria attorno al dissipatore di calore, causando l'energia termica disperdere. Se fatto bene, il dissipatore di calore consente alla CPU di funzionare in modo stabile. Il funzionamento del dissipatore di calore dipende dalla conduttività del metallo, dalla superficie, dallo spessore e dal gradiente di temperatura che può essere mantenuto.