Didattica Meteo IV Lezione: La convenzione

La convezione è il meccanismo di trasferimento di energia termica che si verifica tra una superficie solida ed un fluido (liquido o gas) a temperature diverse posti in contatto tra loro. Tale meccanismo di trasferimento dell’energia termica implica gli effetti combinati di conduzione termica a livello molecolare e di trasporto di materia, il che agevola il trasferimento di energia da una zona ad un’altra.
Si consideri per esempio un termosifone posto in un ambiente. Essendo il termosifone esposto all’aria più fredda la temperatura delle particelle d’aria adiacenti ad esso aumenterà per effetto della conduzione termica del calore dalla superficie del termosifone all’aria.

La temperatura dell’aria a contatto con il termosifone è maggiore di quella dell’aria circostante, pertanto la densità sarà minore. In presenza di un campo gravitazionale quest’aria sarà più leggera e quindi salirà verso l’alto, liberando spazio che sarà occupato da aria circostante più fredda: in questo modo si innesca una circolazione d’aria che porta continuamente aria fredda a contatto con il termosifone. Il processo di raffreddamento risulta quindi più efficiente rispetto al caso in cui lo scambio termico avviene solo per conduzione.

La trasmissione del calore per convezione si distingue in convezione libera o naturale e convezione forzata a seconda della causa che determina il moto del fluido circostante.
Si parla di convezione naturale o libera quando, come nell’esempio suddetto, i gradienti di temperatura presenti nella massa di fluido determinano gradienti di densità che in presenza di un campo gravitazionale provocano il moto del fluido stesso; altri esempi di convezione naturale sono i moti dell’acqua in una pentola posta su un fornello, i moti dell’aria in prossimità di una strada asfaltata assolata o, come nell’esempio considerato, di un termosifone.

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III Lezione corso Meteo: L’ irraggiamento

L’irraggiamento termico è uno dei meccanismi di trasmissione dell’energia come calore. La sua peculiarità è di non necessitare di un supporto materiale, potendo avvenire anche attraverso il vuoto. L’irraggiamento, per esempio, è il meccanismo mediante il quale l’energia emessa dal Sole raggiunge e riscalda la Terra.
La trasmissione del calore per irraggiamento tra due corpi può avvenire anche in presenza di un mezzo di separazione più freddo di entrambi i corpi: per esempio, l’energia termica emessa da una fiamma raggiunge una persona attraversando aria più fredda, oppure la radiazione solare raggiunge la superficie della Terra dopo aver attraversato, alle elevate altitudini, strati d’aria molto freddi.

L’irraggiamento termico rientra nel più vasto fenomeno fisico della radiazione elettromagnetica. Tutti i corpi materiali, i solidi così come i liquidi ed i gas, emettono energia sotto forma di radiazione elettromagnetica e sono in grado di assorbire tale energia radiante: è così possibile realizzare tra due corpi un trasferimento di energia.
Le onde elettromagnetiche emesse dai corpi viaggiano alla stessa velocità c di propagazione della luce nel mezzo che attraversano e sono caratterizzate dalla frequenza f, la cui unità di misura è Hz e rappresenta il numero di cicli nell’unità di tempo, dalla lunghezza d’onda  lambda generalmente misurata in microm che rappresenta la distanza percorsa in un periodo.
Queste grandezze sono legate tra di loro dalla seguente relazione:

c=f

La velocità di propagazione della luce nel vuoto vale circa 300.000 km/s.
Esistono diversi tipi di onde elettromagnetiche, ciascuno prodotto da una differente causa: i raggi gamma sono prodotti da reazioni nucleari, i raggi X sono prodotti dal bombardamento di metalli con elettroni di alta energia, le microonde sono prodotte da speciali tubi elettronici come il magnetron, le onde radio sono prodotte dal flusso di corrente alternata in conduttori elettrici e la radiazione termica è causata dalla temperatura dei corpi.
L’irraggiamento pertanto si occupa non dello studio di tutta la radiazione elettromagnetica ma solo dello studio della radiazione termica cioè dell’energia elettromagnetica emessa dai corpi a causa della loro temperatura.
Le radiazioni elettromagnetiche differiscono molto nel loro comportamento al variare della lunghezza d’onda. Esse coprono un esteso campo di lunghezze d’onda variabile da meno di 10-9 microm per i raggi cosmici a più di 10^10 microm per le onde elettriche di potenza.
La radiazione termica è caratterizzata da lunghezze d’onda che variano da circa 0,1 microm a 100 microm. Essa include quindi tutta la radiazione visibile, caratterizzata da lunghezze d’onda comprese tra 0,40 e 0,76 microm, e parte della radiazione infrarossa e ultravioletta.

La radiazione elettromagnetica emessa da un corpo per irraggiamento varia sensibilmente al variare della temperatura del corpo, della lunghezza d’onda, del materiale costituente il corpo e del trattamento superficiale di quest’ultimo.
Ad esempio, a parità di lunghezza d’onda e di temperatura, una superficie di ferro ossidato emette grosso modo quanto una superficie intonacata a calce; se il ferro è accuratamente lucidato, la radiazione emessa diventa meno della decima parte.
L’energia termica emessa da una superficie, così come tutte le grandezze che entrano in gioco nell’irraggiamento termico, dipende dalla lunghezza d’onda.

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