Il trasferimento del calore avviene tramite tre meccanismi principali: conduzione, dove le molecole che vibrano con rigore trasferiscono la loro energia ad altre molecole con energia inferiore; convezione, in cui il movimento in massa di un fluido provoca correnti e vortici che favoriscono la miscelazione e la distribuzione di energia termica; e radiazioni, 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 per il trasferimento di calore nei liquidi e nei gas.
Conduzione generale
La conduzione avviene tipicamente nei solidi. I piani di cottura elettrici utilizzano il trasferimento di calore conduttivo per portare ad ebollizione una pentola di acqua: l'energia termica viene trasferita dal bruciatore 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. Mentre il bruciatore si riscalda, gli atomi nel metallo iniziano a vibrare sempre più velocemente man mano che la loro energia aumenta. Quando si posiziona la pentola di acqua fredda sul bruciatore, si crea un gradiente di temperatura, un luogo in cui il calore deve scorrere. Poiché l'energia fluisce dalle cose calde alle cose più fredde, gli atomi vibranti del bruciatore trasferiscono parte del loro calore agli atomi che costituiscono il metallo della tua pentola d'acqua. Questo fa vibrare gli atomi del vaso, trasferendo la loro energia nell'acqua.
Conduzione in gas e liquidi
La conduzione è più comune ai solidi, ma in linea di principio può - e lo fa - succede in liquidi e gas, solo 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 entrino in collisione con un'altra e trasferiscano energia attraverso il fluido. In realtà, l'aria è un conduttore così povero che viene utilizzato per aiutare a isolare le case. Alcune finestre a risparmio energetico hanno "spazi d'aria" tra di loro che creano una tasca d'aria tra l'interno della casa e l'aria esterna fredda. Poiché l'aria non conduce il calore molto bene, più calore rimane all'interno della casa poiché l'aria rende difficile l'uscita di questa energia termica.
Convection
La convezione è di gran lunga la più modo 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 la spostano per distribuire quel calore in modo più uniforme. Pensa a una casa nel periodo invernale. 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 a terra. Mentre l'aria calda si sposta verso il soffitto e l'aria fredda cade, questi due tipi di aria si scontrano e si mescolano, facendo sì che il calore del braccio caldo si trasferisca all'aria più fredda e quindi distribuisca il calore in tutta la stanza.
Le radiazioni si verificano quando un corpo diventa abbastanza caldo 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 far sentire il suo calore. Ti senti questo calore a causa delle radiazioni, e anche in una giornata fredda il sole sembra caldo. L'energia elettromagnetica può attraversare lo spazio vuoto e può far riscaldare un oggetto bersaglio da lontano. Il trasferimento di calore radiativo non si verifica comunemente nei liquidi e nei gas.
