La Trasmissione del calore attraverso la conduzione: Postulato di Fourier
La trasmissione del calore avviene attraverso tre diversi meccanismi: conduzione, convezione e irraggiamento. La conduzione si verifica quando l’energia si trasferisce da particelle ad alta energia a particelle a bassa energia, senza che vi sia un movimento macroscopico della materia. Questo meccanismo si verifica nei solidi, nei liquidi e nei gas a causa delle collisioni tra le molecole in movimento casuale.
Nei solidi, oltre alla conduzione molecolare, si considera anche il trasferimento di calore grazie al flusso libero degli elettroni. Ad esempio, una lattina contenente un liquido a bassa temperatura si riscalda a causa del trasferimento di calore dall’ambiente esterno attraverso il contenitore metallico per conduzione.
Il meccanismo della conduzione è stato studiato da Jean Fourier nel XIX secolo. Questo meccanismo può essere descritto tramite l’equazione differenziale del postulato di Fourier, che prevede il flusso di calore in base al gradiente di temperatura e alla conducibilità termica del materiale.
La conducibilità termica, rappresentata dal simbolo λ, è una misura della capacità di un materiale di condurre il calore. Materiali con una alta conducibilità termica sono considerati buoni conduttori, mentre quelli con una bassa conducibilità termica sono ottimi isolanti. La diffusività termica, indicata con il simbolo a, rappresenta la capacità di un materiale di condurre energia termica rispetto alla sua capacità di accumulare energia.
Il fenomeno conduttivo è descritto dal campo di temperatura all’interno del corpo, che dipende dalle coordinate spaziali e dal tempo. In regime stazionario, le superfici isoterme sono fisse, mentre in regime variabile sono mobili e deformabili. Il postulato di Fourier per la conduzione tiene conto della direzione del flusso termico in accordo con il secondo principio della termodinamica.
L’equazione di conservazione dell’energia lungo l’asse x, espressa in forma differenziale, fornisce una descrizione dettagliata della propagazione termica all’interno di un materiale. Questa equazione tiene conto del flusso termico, della generazione interna di calore e della diffusività termica del materiale.
In definitiva, la comprensione dei meccanismi di conduzione del calore e l’applicazione delle equazioni differenziali adatte sono fondamentali per comprendere e prevedere il trasferimento di calore in diversi materiali e condizioni ambientali.
