Trasmissione del calore

Esistono tre diversi meccanismi di trasmissione del calore: conduzione, convezione e irraggiamento. Se, ad esempio, lasciamo un attizzatoio nel fuoco per un certo tempo, la sua impugnatura diventerà calda. L'energia viene trasferita dal fuoco all'impugnatura mediante conduzione lungo tutta la lunghezza dell'asta di metallo. Consideriamo una lastra di area A e spessore L, le cui superfici vengono mantenute alle temperature T1 e T2 , con T1>T2. Sia Q il calore che viene trasferito attraverso la lastra, dalla sua superficie calda verso la sua superficie fredda, nel tempo t. Sperimentalmente si mostra che il calore trasmesso nell'unità di tempo, Pc, è dato da:                                               
 Pc = Q/t = kA[(T1-T2)/(L)]
dove k, chiamata conducibilità termica, è una costante che dipende dal materiale di cui è fatta la lastra. Grandi valori di k definiscono buoni conduttori termici e viceversa. Se invece, vogliamo mantenere fredda una lattina siamo più interessati ai cattivi conduttori di calore che a quelli buoni. Per questo motivo è stato introdotto in ingegneria il concetto di resistenza termica R. Il valore di R di una lastra di spessore L è definito come:     
R = L/k
In questo caso più bassa è la conducibilità termica del materiale di cui è fatta la lastra, più alto è il valore di R di resistenza termica della lastra, in modo che gli elevati valori di R sono propri dei buoni isolanti termici.  L'unità comunemente usata per R è il kelvin per metro quadrato su watt (Kxm2/W). Combinando le due equazioni precedenti si ottiene:
Pc = A[(T1-T2)/(R)]
che permette di calcolare il calore che attraversa una lastra nell'unità di tempo se sono noti la sua resistenza termica R, la sua area e la differenza di temperatura tra le sue superfici. Quando, invece, guardate la fiamma di una candela o di un fiammifero, state guardando l'energia termica che viene trasportata verso l'alto per mezzo della convezione. Il trasferimento di calore mediante convezione ha luogo quando un fluido, come l'aria o l'acqua, è a contatto con un oggetto la cui temperatura è maggiore di quella del fluido stesso. La temperatura della parte di fluido che è a contatto con l'oggetto caldo aumenta, e in molti casi il fluido si espande. Essendo meno denso (minor massa volumica) del fluido circostante più freddo, esso sale a causa della forza di Archimede. Il fluido circostante più freddo scende per prendere il posto del fluido più caldo che va verso l'alto, e si genera una circolazione convettiva. Il terzo modo con cui si trasferisce calore tra un oggetto e l'ambiente sono le onde elettromagnetiche (ad esempio la luce). Il calore trasmesso in questo modo è spesso chiamato radiazione termica o irraggiamento. La potenza Pr emessa da un corpo per irraggiamento elettromagnetico dipende dalla sua superficie emissiva A e dalla temperatura T (in kelvin) di questa superficie, ed è data da:
Pr = σεAT4
Qui σ vale 5,6703x10-8 W/(m2xK4)ed è chiamata costante di Stefan-Boltzmann. Il simbolo ε invece rappresenta l'emittanza o emissività della superficie considerata dell'oggetto e può assumere valori compresi tra 0 e 1 a seconda delle caratteristiche fisiche superficiali. Invece, la potenza Pa con la quale un oggetto assorbe energia radiante dall'ambiente in cui si trova è data da:
Pa = σεAT4amb
Considerando però che i due fenomeni, dell'irraggiamento e dell'assorbimento, avvengono sempre contemporaneamente, la potenza netta Pnet di energia scambiata per irraggiamento è:
Pnet = Pa-Pt = σεA(T4amb-T4)
Pnet è positivo quando si ha un assorbimento netto di energia radiativa, mentre è negativo nel caso contrario, ossia di perdita energetica.