I MECCANISMI DELLO SCAMBIO TERMICO NELLA MATERIA

Articolo dell’Ing. Franco Puglia – Venerdì 8 Novembre 2024
Collaboratore di Attività Solare

Esistono tre meccanismi distinti per cui si può verificare uno scambio di calore tra corpi diversi: CONDUZIONE, CONVEZIONE e IRRAGGIAMENTO. Secondo le situazioni, uno dei tre meccanismi può avere un’influenza predominante sugli altri ma questo non esclude che molto spesso si trovino tutti e tre contemporaneamente presenti.

CONDUZIONE: scambio di calore tra corpi (o parti dello stesso corpo) aventi temperatura diversa, senza alcun movimento di materia. Prendiamo per esempio una parete di spessore “s” e di superficie “S”: nella faccia della parete interna misuriamo una temperatura ambiente di +20°C, mentre nella parte esterna, misuriamo -3°C. L’intensità del flusso termico che attraversa la parete è proporzionale alla differenza di temperatura (dt = ti – te) tra le due facce della parete e dipende dalle caratteristiche di quest’ultima. Il flusso sarà tanto più intenso quanto maggiore sarà la superficie della parete, quanto minore è il suo spessore e quanto più permeabile al flusso termico è il materiale della parete (coefficiente di conducibilità K). Il coefficiente di conducibilità termica dipende dalla natura dei materiali: sono buoni conduttori i metalli, cattivi conduttori le sostanze non metalliche, pessimi conduttori i liquidi in genere e soprattutto i gas, per esempio l’aria. Possiamo concludere con una formula riassuntiva della conduzione: Q=K x S x (ti-te)/s.

CONVEZIONE: questo meccanismo si produce quando c’è uno scambio di calore tra un elemento solido, liquido o gassoso e un altro fluido a temperatura più bassa. Infatti, in questo meccanismo, oltre a un flusso di calore, troviamo anche un effettivo movimento meccanico di materia fluida, che da vita a dei moti convettivi. Essi possono essere dovuti al fatto che gli strati più caldi di un fluido tendono a dilatarsi e ad acquistare perciò una densità inferiore rispetto a quella degli strati più freddi. Quindi, se i due fluidi a temperatura diversa hanno la stessa densità, il fluido caldo (più leggero) tenderà a salire verso l’alto, mentre quello freddo (più pesante) tenderà ad andare verso il basso. I moti convettivi possono anche essere determinati da differenze di pressione del fluido tra due punti distanti tra loro: le due pressioni tendono a uniformarsi, trasferendo materia, portando il fluido ad assumere ovunque la medesima densità.

IRRAGGIAMENTO: Esiste un terzo meccanismo che, a differenza degli altri due, non richiede la necessaria presenza di materia. Infatti, tutti i corpi caldi emettono particolari radiazioni (raggi infrarossi) che si possono trasmettere anche attraverso il vuoto; se questi raggi colpiscono un corpo più freddo di quello che li ha generati, vengono in parte assorbiti e si produce in questo modo uno scambio termico. La quantità di calore trasmessa per irraggiamento da un corpo caldo è fortemente influenzata dalla sua temperatura, dalla natura del corpo stesso (emissività, da 0 a 1) e dalla natura della superficie del corpo assorbente più freddo. Superfici porose e annerite assorbono infatti per intero la radiazione incidente, mentre superfici bianche o speculari la riflettono in gran parte.
La quantità di energia che una molecola può irradiare è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta T, espressa in gradi Kelvin, attraverso un coefficiente denominato costante di Stefan-Boltzmann, Ksb pari a 1,380649 x 10-23 Joule / °K . . Per una massa solida conta anche la superficie radiante S, l’emittanza Em, cioè l’attitudine a irradiare energia, che può assumere valori tra zero e uno (corpo nero) e il tempo.

Nell’unità di tempo quindi la potenza irradiata da un corpo nero è W = S x Em x Ksb x T4. Stante il valore di Ksb, dovremmo portare un corpo nero di superficie unitaria a 1.000.000 °K per irradiare 13,80649 Watt di potenza termica. A temperature più basse la potenza termica trasmissibile crolla, ed entra in gioco la superficie radiante o la massa radiante, che assume un peso prevalente nello scambio termico. Detto questo, immaginate se è mai possibile che nel clima del pianeta lo scambio termico tra la sua superficie e l’atmosfera possa mai prevedere un significativo trasferimento termico dall’atmosfera verso terra, visto che l’atmosfera, a tutte le quote, presenta temperature inferiori a quelle del suolo, e se anche fossero superiori parliamo di temperature inferiori a 300°K, quindi con una potenza radiante unitaria infima. Quindi un trasferimento di calore significativo implica una MASSA significativa; in atmosfera, a tutte le quote, il 99% del gas atmosferico è costituito da ossigeno e azoto.

Che contributo potrebbe mai dare quel misero DEL PIANETA PER VIA RADIANTE, PERCHE’ LE LEGGI DELLA FISICA GLIELO IMPEDISCONO.

Può farlo soltanto trasferendo fisicamente, PER CONVEZIONE (venti e correnti d’aria) aria calda o fredda da un territorio a un altro, e nulla più.
L’atmosfera opera soltanto come ritardante del raffreddamento del pianeta nelle ore notturne, perché oppone alla superficie del pianeta una massa d’aria a temperatura
lentamente decrescente verso lo zero assoluto del cosmo, invece di esporla direttamente al vuoto cosmico.

I fenomeni climatici TUTTI sono determinati dall’interazione termodinamica tra la superficie planetaria e l’atmosfera, entrambe riscaldate dall’irraggiamento solare diurno, e dai fenomeni dinamici che si attivano in atmosfera a causa delle differenti condizioni di temperatura nei vari punti del pianeta, che determinano gradienti di pressione, correnti d’aria anche vorticose, trasporti di masse d’aria fredde e calde, e interazione con il vapore acqueo atmosferico che, grazie alle caratteristiche della molecola, può condensare in acqua piovana o gelare in neve o grandine.

L’effetto serra dell’atmosfera NON ESISTE e i GAS SERRA tanto meno. Smettiamola di condizionare la nostra vita alla produzione di CO2 indotta dall’impiego dei combustibili organici, carbone, petrolio e gas naturale.