La convezione

La convezione è un processo di trasporto di energia che avviene mediante l’azione combinata della conduzione, dell’accumulo di energia e del mescolamento. Si tratta del più importante meccanismo di scambio di energia tra una superficie solida ed un liquido o un gas (in generale, quindi, un fluido). La trasmissione di energia per convezione da una superficie, la cui temperatura sia superiore a quella del fluido (liquido o gas) circostante, avviene in diversi stadi:

 • dapprima il calore passa per conduzione dalla superficie alle particelle di fluido adiacenti, in modo tale che l’energia così trasmessa faccia aumentare l’energia interna e la temperatura delle particelle;

 • tali particelle vanno poi a muoversi verso una regione del fluido a temperatura minore e si mescolano con esso cedendo parte della propria energia ad altre particele. 

Deduciamo dunque che la convezione consta sia di un flusso di energia sia di un flusso di materia: l’energia è cioè effettivamente immagazzinata nelle particelle ed è trasportata dal loro moto. Questo meccanismo non dipende solo da una differenza di temperatura ed è per questo che, come già osservato, non è strettamente conforme alla definizione di trasmissione del calore. Tuttavia, l’effettiva conseguenza è sempre un trasporto di energia che, avvenendo secondo la direzione del gradiente di temperatura, è comunque classificato come un meccanismo di scambio termico, detto appunto trasmissione del calore per convezione. 

E’ possibile classificare due tipi di processi di trasmissione di calore per convezione, in base alla causa che determina il moto di particelle: 

• si parla di convezione libera (o anche naturale) quando il moto dipende unicamente da differenze di densità dovute a gradienti di temperatura; 

• si parla invece di convezione forzata quando il moto è indotto da qualche agente esterno (come una pompa o un ventilatore). 

Sottolineiamo infine che l’efficacia dello scambio termico per convezione dipende, in gran parte, dal moto del fluido a contatto con la superficie. 

La convezione consta sia di un flusso di energia sia di un flusso di materia

Ecco un semplice esperimento che illustra i moti convettivi:

Link: i moti convettivi in natura

L'irraggiamento

L’irraggiamento è un processo mediante il quale il calore fluisce da un corpo a temperatura maggiore verso un corpo a temperatura minore, quando i due corpi non sono a contatto, anche se tra di essi c’è il vuoto. Notiamo subito una differenza con la conduzione: in quel caso c'era il contatto diretto tra i corpi a diversa temperatura, mentre in questo caso non c'è contatto, ma esiste un mezzo di separazione (anche il vuoto). E’ bene sottolineare che il termine irraggiamento si riferisce, in generale, ad un qualunque fenomeno di propagazione di onde elettromagnetiche. Dal punto di vista dello scambio termico, interessano invece solo quei fenomeni dipendenti dalla temperatura, i quali consentono il trasporto di energia attraverso un mezzo trasparente o attraverso il vuoto. L’energia così scambiata prende il nome di calore irraggiato. Tutti i corpi emettono continuamente calore per irraggiamento e l’intensità dell’emissione dipende dalla temperatura e dalla natura della superficie. L’energia raggiante viaggia alla velocità della luce e presenta una fenomenologia simile a quella delle radiazioni luminose: infatti, secondo la teoria elettromagnetica, la luce e l’irraggiamento termico differiscono solo per le rispettive lunghezze d’onda. Il calore irraggiato è emesso da un corpo sotto forma di quantità discrete di energia dette quanti. La trasmissione del calore irraggiato è simile alla propagazione della luce e può essere perciò descritta mediante la teoria delle onde; quando le radiazioni incontrano un altro corpo, la loro energia resta assorbita in prossimità della superficie. Lo scambio termico per irraggiamento diventa sempre più importante al crescere della temperatura di un corpo: nei problemi ingegneristici in cui le temperature siano prossime a quella atmosferica, l’irraggiamento può spesso essere trascurato.

In pratica:                  

Link: la termografia

La conduzione termica

La conduzione è un processo mediante il quale il calore fluisce da una regione a temperatura maggiore verso una regione a temperatura minore attraverso un solo mezzo (solido, liquido o aeriforme) o attraverso mezzi diversi posti a diretto contatto fisico. Nella conduzione, l’energia si trasmette per contatto diretto tra le molecole, senza che queste si spostino sensibilmente (moto oscillatorio). Quando le molecole di una regione acquistano energia cinetica media maggiore di quella delle molecole di una regione adiacente, le molecole ad energia maggiore cedono parte di questa energia alle molecole della regione a temperatura minore. Uno scambio di energia di questo tipo può avvenire in vari modi: ad esempio, nei fluidi avviene per urto elastico, mentre nei metalli avviene per diffusione (cioè movimento) degli elettroni più veloci da regioni a temperatura maggiore verso regioni a temperatura minore. Ad ogni modo, a prescindere dall’esatto meccanismo, l’effetto rilevabile della conduzione è sempre un livellamento della temperatura. Ovviamente, se, con addizioni o sottrazioni di calore in punti diversi, vengono mantenute delle differenze di temperatura, si stabilisce un flusso continuo di calore dalla regione più calda a quella più fredda. La conduzione è il solo meccanismo con cui il calore può propagarsi nei solidi opachi. Esso è anche importante nei fluidi, ma, nei mezzi non solidi in generale, essa è solitamente associata alla convezione e, in alcuni casi, anche all’ irraggiamento.

  Il calore fluisce da una regione a temperatura maggiore verso una regione a temperatura minore  attraverso mezzi diversi posti a diretto contatto fisico.

Ecco un semplice esperimento che mette in evidenza come il calore si propaga con diversa rapidità attraverso materiali diversi:

Link: La conducibilità termica dei diversi materiali da costruzione