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Che cos’è la conduzione?

Abbiamo già definito la conduzione del calore durante l’apprendimento del trasferimento di calore.
La conduzione del calore è il trasferimento di calore dalla parte più calda del materiale alla sua parte più fredda senza il movimento effettivo delle particelle.
Durante il processo di conduzione del calore l’energia termica viene trasferita solo alle molecole successive. In questo processo, le molecole non lasciano affatto la loro posizione media. Così nella conduzione le particelle del mezzo trasferiscono il calore senza lasciare la posizione media.
La conduzione del calore non avviene nei liquidi e nei solidi. Questo accade perché le molecole dei gas e dei liquidi si muovono in modo casuale o in una direzione specifica.

Come funziona il trasferimento di calore per conduzione

Quando un’estremità di una barra di metallo viene riscaldata, le molecole a questa estremità cominciano a vibrare sempre più velocemente. Queste particelle all’estremità calda hanno una maggiore energia cinetica di vibrazione rispetto alle particelle che non sono direttamente esposte al calore. Queste particelle/molecole più veloci si scontrano con le molecole vicine.

Durante la collisione, esse trasferiscono parte della loro energia alle molecole vicine. In questo modo le molecole che si muovono più velocemente o che vibrano trasmettono l’energia termica alle molecole vicine. Queste, a loro volta, trasferiscono parte della loro energia alle molecole vicine. Così l’energia viene trasferita per collisione molecolare dall’estremità calda dell’oggetto alla sua estremità fredda. Il trasferimento di calore continua fino a quando le due estremità dell’oggetto sono alla stessa temperatura. In questo modo l’energia del movimento termico viene passata da una molecola all’altra mantenendo la loro posizione media fissa.
Le sostanze solide che conducono facilmente il calore sono buoni conduttori di calore. Per esempio l’argento, il rame ecc. Tutti i metalli sono un buon conduttore di calore.
Le sostanze che non conducono facilmente il calore sono chiamate cattivi conduttori di calore. Per esempio il legno, la stoffa, l’aria, la carta ecc. In generale, i buoni conduttori di calore sono anche buoni conduttori di elettricità.

Esempi quotidiani di conduzione

• In inverno, la maniglia metallica sembra essere più fredda della porta di legno. Questo accade perché la maniglia metallica è un buon conduttore di calore e il calore scorre dal nostro corpo alla maniglia. Quindi si sente freddo
• Gli utensili da cucina sono dotati di maniglie in legno. Questo perché il manico di legno non permette la conduzione del calore dall’utensile caldo alla mano.
• Una nuova trapunta è più calda di una vecchia trapunta perché la nuova trapunta contiene più aria nei suoi pori rispetto alla vecchia trapunta.
• Un frigorifero è dotato di pareti isolate per ridurre al minimo la possibilità di flusso di calore nel frigorifero dall’esterno.

Termini importanti relativi alla conduzione

(1) Lo stato stazionario di una sostanza:-

Per capire lo stato stazionario di una sostanza consideriamo una barra di metallo solido. Ora riscaldiamo un’estremità della barra di metallo. In questo modo un’estremità della barra è ad una temperatura più alta e un’altra estremità della barra è ad una temperatura più bassa.Dalla discussione sul trasferimento di calore per conduzione, sappiamo che l’energia termica è trasferita solo alle molecole successive. Dividiamo la barra di metallo solido in vari segmenti come mostrato in figura

Qui, se la barra di metallo non è isolata, il calore si perde nell’atmosfera per convezione e radiazione. Questo può essere evitato mettendo del materiale non conduttore intorno alla barra.

Se iniziamo a fornire calore alla barra all’estremità P allora ogni sezione della barra riceverà calore dalla sezione precedente adiacente. Cioè la sezione C riceverà calore dalla sezione B e la sezione B riceverà calore dalla sezione A.
Consideriamo ancora le sezioni A, B e la sezione C. Ora la sezione B riceve calore dalla sezione A. Una parte del calore ricevuto viene assorbita a causa della quale la temperatura della sezione B aumenta. Una parte di questo calore ricevuto fluisce nell’atmosfera. La parte rimanente del calore viene trasferita alla sezione C adiacente.
In questo stato la temperatura di ogni sezione trasversale della barra. Continua ad aumentare con il tempo. Questo è lo stato transitorio o variabile della conduzione del calore.

Qui, se la barra metallica non è isolata, il calore si perde nell’atmosfera per convezione e radiazione. Questo può essere evitato mettendo del materiale non conduttore intorno alla barra.

Con il passare del tempo e la continua fornitura di calore, si raggiunge uno stato in cui la temperatura di ogni sezione diventa uniforme. In questo stato, nessun calore viene assorbito da nessuna sezione della barra.

Questo stato della barra quando la temperatura di ogni sezione trasversale della barra diventa costante e non c’è più assorbimento di calore in nessuna parte è chiamato stato stazionario.

È importante notare qui che
(1) Le diverse sezioni della barra di metallo hanno una temperatura diversa, ma la temperatura di ogni sezione rimane costante con il passare del tempo.
(2) La temperatura diminuisce man mano che mi allontano dall’estremità calda. Il calore perso nell’atmosfera può essere evitato coprendo la barra di metallo con un materiale isolante. In questo caso, in uno stato stazionario il trasferimento totale di calore avviene per conduzione. Dall’estremità calda (temperatura più alta) della barra all’estremità fredda (temperatura più bassa).

(2) Superficie isoterma :-

La superficie di una sostanza le cui particelle o molecole sono alla stessa temperatura è chiamata superficie isoterma.

La figura 5 mostra due superfici isoterme $P$ e $Q$. Qui la temperatura di tutti i punti sulla superficie $P$ è la stessa. La temperatura della superficie $P$ non è uguale a quella della superficie $Q$.

(3) Gradiente di temperatura:-

Il tasso di variazione della temperatura con la distanza nella direzione del flusso di calore è chiamato gradiente di temperatura

Consideriamo consideriamo la figura qui sotto

La figura qui sopra mostra due superfici isoterme P e Q. La superficie P è alla temperatura $(T+Delta T)$ e la superficie Q è alla temperatura $T$.

Le sezioni $P$ e $Q$ nella figura precedente sono superfici isoterme. Sia $Delta x$ la distanza normale tra queste due superfici. Ora la temperatura della sezione $P$ è maggiore di quella della sezione $Q$. Sia $(T+Delta T)$ la temperatura della sezione $P$ e $T$ la temperatura della sezione $Q$; allora il gradiente di temperatura si scrive come
\begin{align} \testo{grad.} T & = \frac{cambiamento di temperatura}}{ distanza normale} & ==frac{T-(T+Delta T)}{Delta x} & =-\frac{Delta T}{Delta x} \end{align} Il gradiente di temperatura è la quantità positiva in direzione della temperatura crescente. Poiché il calore scorre sempre dalla temperatura più alta a quella più bassa. Il gradiente di temperatura lungo la direzione del flusso di calore ha un valore negativo.

(4) La velocità del flusso di calore :-

La quantità di calore trasferito da una regione isoterma per unità di tempo nella direzione della propagazione del calore è chiamata velocità del flusso di calore. È indicato con $H$. Se $Q$ è la quantità di calore trasferito nel tempo t, allora
$H=frac{Q}{T}$ le unità sono $Kcal{s ^{ – 1}} $ , $J{s ^{ – 1}}$ e $cal{s ^{ – 1}}$

(5) La velocità specifica del flusso di calore:-

La velocità del flusso di calore per unità di area è chiamata velocità specifica del flusso di calore. Viene indicato con $q$.$q=\frac{H}{A}$
Le unità sono $Kcal.{m^{ – 2}}{s^{ – 1}$, $K{m^{ – 2}}{s^{ – 1}}$ e $Cal.cm^{ – 2}{s^{ – 1}}$

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