Trasferimento di calore guidato da differenze di temperatura: Applicazioni e distinzioni nella termodinamica ingegneristica e nel trasferimento di calore

Nella miriade di mondi in cui viviamo si verificano costantemente vari processi, e uno dei processi fisici più strettamente legati alla sopravvivenza umana è il trasferimento di energia termica. Dalla climatizzazione centralizzata degli edifici moderni alla formazione di fenomeni atmosferici naturali come il gelo, la pioggia e la neve, dalle sfide di protezione termica dei veicoli spaziali che rientrano nell'atmosfera al raffreddamento efficace dei dispositivi elettronici, dai cambiamenti stagionali nell'abbigliamento delle persone alla conservazione congelata degli alimenti umani, tutti sono strettamente legati al processo di trasferimento del calore.

Gli studi sul trasferimento di calore sono una disciplina che studia le leggi del trasferimento di calore o di energia causato da differenze di temperatura. La Seconda Legge della Termodinamica afferma: ovunque ci sia una differenza di temperatura, il calore si trasferisce naturalmente da un oggetto a temperatura più alta a uno a temperatura più bassa. Questo calore trasferito viene spesso definito energia termica.

Le differenze di temperatura esistono ovunque in natura e in vari campi della tecnologia produttiva, rendendo il trasferimento di calore un fenomeno fisico molto comune. Per esempio, i venti in natura sono causati da differenze di temperatura tra due luoghi, che fanno fluire l'aria da un'area a temperatura più alta a una a temperatura più bassa, ulteriormente influenzata dalla rotazione terrestre per formare il vento. Anche le correnti oceaniche e i tifoni sono causati da differenze di temperatura che portano al movimento di acqua o aria. Nella produzione industriale, l'uso di tubi riscaldanti in fibra di carbonio per riscaldare i prodotti comporta anche il trasferimento del calore dai tubi riscaldanti al materiale riscaldato, che è un altro processo di trasferimento di calore.

Le cosiddette leggi del trasferimento di calore mettono in relazione la quantità di calore trasferita per unità di tempo con la corrispondente differenza di temperatura all'interno di un oggetto. La relazione di primo livello che riflette questa legge diventa l'equazione di velocità del trasferimento di calore. Nei prossimi articoli vi illustrerò le equazioni di velocità delle tre modalità fondamentali di trasferimento del calore in alcune condizioni semplificate. Un livello di studio più approfondito consiste nel trovare la distribuzione della temperatura in vari punti all'interno di un oggetto in condizioni diverse.

Lo studio del trasferimento di calore e la termodinamica ingegneristica sono entrambe discipline legate ai fenomeni termici. Nel settore dell'istruzione ingegneristica cinese, questi due corsi sono indicati collettivamente come corsi di ingegneria termica. La differenza fondamentale tra questi due campi scientifici può essere spiegata come segue: La termodinamica ingegneristica studia i sistemi in equilibrio, dove non ci sono differenze di temperatura o di pressione, mentre il trasferimento di calore studia esattamente l'opposto, le leggi del trasferimento di calore che comportano differenze di temperatura. Per esempio, si consideri il processo di raffreddamento di un lingotto d'acciaio da 1000°C in un bagno d'olio a 100°C. La termodinamica studia il calore perso per chilogrammo di lingotto d'acciaio durante questo processo di raffreddamento e il calore assorbito dal bagno d'olio, ma la termodinamica non può dirci quanto tempo ci vuole perché questo sistema di temperature raggiunga l'equilibrio. Questo tempo dipende dalla temperatura del bagno d'olio, dal movimento dell'olio, dalle proprietà fisiche dell'olio e così via, che sono esattamente ciò che studia il trasferimento di calore.

Inoltre, a causa della differenza fondamentale sopra menzionata, esiste una distinzione nei parametri fisici utilizzati nella termodinamica e nel trasferimento di calore: nella termodinamica, le grandezze fisiche non includono il tempo, mentre nel trasferimento di calore, le principali grandezze fisiche sono denominate in tempo, cioè il trasferimento di calore è più interessato a quanta energia termica può essere trasferita per unità di tempo. D'altra parte, gli studi sul trasferimento di calore sono strettamente legati alla termodinamica ingegneristica: l'analisi di qualsiasi processo di trasferimento di calore deve utilizzare la Prima Legge della Termodinamica, cioè la legge di conservazione dell'energia. La Prima Legge della Termodinamica può essere applicata sia ai sistemi chiusi che a quelli aperti, e ogni tipo di sistema presenta stati stazionari e instabili. Dal punto di vista del trasferimento di calore, un processo cosiddetto stazionario è quello in cui la temperatura in ogni punto del sistema non cambia nel tempo, mentre in un processo instabile le temperature in ogni punto cambiano nel tempo.

Nelle future discussioni sulla conduzione del calore nei solidi, utilizzeremo la Prima Legge della Termodinamica per i sistemi chiusi, mentre lo studio del trasferimento di calore convettivo richiede l'uso di sistemi aperti. Inoltre, quando l'energia termica si trasferisce da un mezzo all'altro, il principio di conservazione dell'energia deve essere applicato anche all'interfaccia tra i due mezzi, come nel caso del citato processo di raffreddamento di un lingotto d'acciaio in un bagno d'olio; all'interfaccia tra il solido e il liquido, sia che il processo di trasferimento di calore sia stazionario o instabile, riteniamo che il calore trasferito dal solido al liquido e il calore assorbito dal liquido dal solido siano uguali in ogni momento. I concetti di bilancio energetico e bilancio termico citati nella scuola media di fisica sono in realtà semplici termini della Prima Legge della Termodinamica.

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