techbtn.gif (2150 byte) Il Calore

SOMMARIO


Il calore
Il calore é la forma di energia primaria della natura . Ai nostri sensi si manifesta con quella particolare qualitá che definiamo temperatura : un corpo dotato di calore , ovvero di energia termica , ha una temperatura maggiore di uno meno dotato di energia termica , ovvero freddo .

L'unitá di misura industriale della quantitá di calore é la caloria [cal] , di solito come multiplo [kilocaloria] . Una kilocaloria [kcal] é la quantitá di calore necessari a riscaldare da 14 a 14ºC un kg di acqua pura (oppure alla centesima parte del calore necessario a portare un kg di acqua da 0 a 100ºC .

Effetti del calore
Come giá detto , il calore é percepibile dai nostri sensi , che sono in grado di distinguere la diversa temperatura di un corpo o di un ambiente .
Questo dal punto di vista fisiologico ; da quello della tecnologia é noto che il calore ha svariati effetti sulle sostanze .
In primo luogo , un effetto meccanico . É noto che il calore dilata i materiali metallici ; tutti conoscono la necessitá di mantenere una certa distanza tra i tratti di rotaia della ferrovia in quanto , se posati a stretto contatto , per effetto della dilatazione dovuta al calore del sole , potrebbero deformarsi tanto da impedire la circolazione dei treni .due parti metalliche in movimento . Parti in movimento a contatto tra di loro e che sono realizzate con una certa tolleranza di accoppiamento , possono lavorare bene in un certo campo di temperatura , oltre il quale la dilatazione termica impedirebbe un corretto movimento , bloccandolo (grippaggio del pistone nel motore a scoppio o delle bronzine di supporto per un albero in rotazione, ad esempio) .
Questo vale soprattutto per i meccanismi di precisione , dove , per altro , si cerca di minimizzare questo problema con l'uso di leghe e materiali soggetti il meno possibile alla dilatazione termica .

In secondo luogo , l'eccessivo accumularsi di calore puó portare al punto di combustione molte sostanze . Sono noti dalla cronaca incendi causati da impianti elettrici , dove cortocircuiti o sovraccarichi hanno creato condizioni di calore tali da infiammare l'isolamento dei conduttori e propagare le fiamme alle materie vicine .

Inoltre il calore puó danneggiare in modo irreversibile le caratteristiche di un materiale . Molte sostanze , tra cui i metalli e le plastiche , sono soggette alla fusione , ovvero , raggiunta una certa temperatura dipendente dal tipo di materia , si passa dallo stato solido a quello liquido . Questo passaggio per la maggior parte dei casi non é privo di conseguenze , come ad esempio lo é per l'acqua , che puó passare da giaccio a liquido a vapore e viceversa senza cambiare struttura . Per i metalli , nel passaggio da liquido a solido , possono avvenire trasformazioni strutturali che cambiano le caratteristiche del materiale ; questo fatto é sfruttato , ad esempio ,   per la tempra , dove le modalitá di riscaldamento e di raffreddamento determinano le caratteristiche meccaniche del metallo o della lega .   
Anche i semiconduttori possono subire alterazioni per un eccesso di calore ; al passaggio della corrente si genera una certa quantitá di calore , proporzionale al quadrato del valore della corrente ed alla resistenza del materiale (effetto Joule) . Sfortunatamente , in genere , il calore crea le condizioni per una riduzione della resistenza , il che porta ad un aumento della corrente e quindi dell'energia termica da dissipare ; se questo calore in eccesso non viene smaltito adeguatamente , si puó innescare un ciclo (detto in inglese run-down) che accresce rapidamente la temperatura del semiconduttore e porta alla fusione del materiale o alla degradazione irreversibile . Date le dimensioni molto piccole del chip , questo effetto puó avvenire in poche frazioni di secondo . 

In qualsiasi processo fisico il calore ha in qualche modo a che fare , spesso sotto forma di "sottoprodotto" non richiesto .
Alcuni esempi :
La comune lampadina Edison , produce luce attraverso il riscaldamento del filamento ; contemporaneamente , viene prodotta una  ingente quantitá di calore , di per se non utile alla finalità della lampada , che é quella di illuminare , non di scaldare ..
Due parti metalliche che si muovono a contatto , per effetto dell'attrito , generano del calore . Al limite , l'effetto ci é utile per accendere il fuoco alla boy scout , ma , in un dispositivo meccanico , facciamo il possibile per ridurre questa energia persa con lubrificanti , bronzine , cuscinetti , ecc..
Un motore a scoppio produce energia meccanica dalla combustione , ma , nel contempo , la combustione genera una grossa quantitá di calore che va rimosso dal motore altrimenti ne provocherebbe la distruzione .
Una corrente elettrica che scorre in un conduttore , che ha una certa resistenza , dissipa una certa quantitá di energia per "vincere" questa resistenza , energia che va persa in calore . Di nuovo , al limite , questo effetto ci serve ed é ricercato nella progettazione di una stufa o un forno elettrico , nelle "candelette"dei motori diesel , nella macchina per il caffè o nell'asciuga capelli , ma il fenomeno é un notevole problema quando non é esplicitamente voluto , ad esempio nei conduttori dei comuni impianti elettrici , dove un sovrariscaldamento eccessivo potrebbe portare a gravi danni o incendi .
Anche i circuiti elettronici , in cui circola corrente elettrica , presentano lo stesso fenomeno , ovvero il passaggio degli elettroni genera una certa quantitá di calore , non desiderato , che é necessario smaltire per evitare un surriscaldamento ed i conseguenti danni ai componenti .
Dove mettere questo calore di troppo ? La via piú semplice é trasferirlo ad un altro sistema a temperatura piú bassa e non c'é niente di piú pratico che dissiparlo nell'aria circostante , di solito piú fredda .

Trasmissione del calore
Il calore si trasmette da un sistema caldo ad uno piú freddo , seguendo un generale principio di equilibrio del contenuto energetico . Un esempio facilmente comprensibile é il termosifone che , riscaldato dall'acqua della caldaia , cede calore all'ambiente circostante e scalda la stanza . Quindi , il calore passa dalla combustione all'acqua e dall'acqua all'aria della stanza . Ma come ?
Il calore si trasmette per tre vie :

In particolare , il passaggio di calore da una parete solida ad un fluido , che comporta sia convezione che irraggiamento , si chiama adduzione .

Dato che il problema che ci poniamo é quello di rimuovere il calore in eccesso , vediamo quali sono i principi relativi al trasferimento del calore da un punto caldo ad uno piú freddo : questo avviene di solito in una combinazione dei tre modi sopra citati .
Consideriamo ad esempio il riscaldamento con il termosifone : il calore dell'acqua si trasmette al metallo del termosifone , lo attraverso grazie alle buone caratteristiche di conduzione del metallo ed  é emesso dal materiale metallico (solido) all'aria dell'ambiente (gas) sia per convezione (parte maggiore : il gas riscaldato sale e quindi la parte piú calda attorno al termosifone é la parte superiore , dove l'aria calda sale ) , ma anche per irraggiamento (si sente calore anche lateralmente ad una certa distanza) .

Si puó subito notare che maggiore é la superficie che genera calore , maggiore sará la quantitá di energia termica che puó essere scambiata : é evidente a tutti che un piccolo termosifone scalderà una stanza di cubatura  minore di un termosifone piú grande . Se lo scopo é quello di trasferire il calore da un sistema caldo all'ambiente circostante , la superficie di scambio ha importanza rilevante . Vanno considerati tre punti :

Inoltre , lo scambio di calore é tanto migliore quanto maggiore é la differenza di temperatura tra i due sistemi . Per esemplificare , in estate il motore dell'auto , a causa del calore giá presente nell'aria , sará piú caldo che in inverno , dove l'ambiente freddo facilita il raffreddamento del motore stesso ; sará piú facile trovare auto in panne con il motore che bolle a luglio piuttosto che a gennaio , nel Sahara piuttosto che in Finlandia . Ma anche nella marcia a bassa velocitá in colonna piuttosto che nel flusso rapido di una autostrada : questo perché il radiatore cede all'ambiente gran parte del calore per convezione ed il movimento dell'auto genera un flusso di aria sempre rinnovata che asporta rapidamente il calore , mentre a bassa velocitá o a veicolo fermo , é normale che , dopo un minimo tempo , si metta in funzione la ventola del radiatore per "simulare" l' effetto del movimento del veicolo e produrre una sufficiente corrente di aria . Se la ventola non si avvia , il motore in breve si danneggia per l'impossibilità di smaltire una sufficiente quantitá del calore prodotto .
Dunque , anche la disponibilitá di un ricambio del flusso refrigerante é importante : é ovvio che se il calore é stato passato all'aria circostante e questa aria non ha modo di essere sostituita con altra fredda , si arriva ad un certo punto oltre il quale la cessione del calore all'ambiente non é piú possibile ed il calore si accumula , aumentando la temperatura . Per questo , dove non esiste un flusso di aria prodotto dal movimento , si supplisce con una ventola che crei il ricambio di aria necessario .
In casi particolari , dove occorre un maggiore rendimento , si usano altri fluidi , come gas inerti o liquidi oppure si impiegano sistemi a pompa di calore , come le celle Peltier .

Si puó raccogliere quanto detto detto in una semplice conclusione : per raffreddare un corpo caldo , dobbiamo passare il suo calore all'ambiente esterno nel miglior modo possibile .


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Aggiornato il 16/07/99.