La Trasmissione del Calore Considerazioni preliminari - Le ...old · FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari. La natura

La natura del caloreRuolo della trasmissione del calore

Le modalita di trasmissione del caloreLe loro particolarita

La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari

Le differenti modalita della trasmissione del calore

FENOMENI DI TRASPORTOper i Tecnologi Alimentari

Gianpaolo Ruocco — Universita degli studi della Basilicatahttp://www.CFDfood.org

Anno Accademico 2010/11

FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari

http://www.CFDfood.org



La trasmissione del calore, gia esaminata nella FisicaTecnica

Quando esiste un gradiente di temperatura in un sistema o quando duesistemi a temperatura diversa vengono posti a contatto, si hatrasferimento di energia nella forma calore. Questo calore in transitonon puo essere misurato od osservato direttamente, ma possono essereosservati e misurati gli effetti da esso prodotti. Come visto in FisicaTecnica, il transito del calore (cosı come per il lavoro) attraverso la SCdel sistema comporta una variazione della sua energia interna















Tutti i processi di trasmissione del calore comportano lo scambio e laconversione di energia e devono quindi obbedire alla prima e secondalegge della termodinamica, ma le leggi fisiche particolari dellatrasmissione del calore non possono essere dedotte da queste leggi:l’approccio utilizzato nella Fisica Tecnica, cosı come comunemente fattoin ambito tecnico, consente unicamente lo studio di stati di equilibriotermodinamico, ed essendo il flusso di calore il risultato di uno squilibriodi temperatura, la sua trattazione quantitativa deve basarsi su unadifferente disciplina



















Il problema al centro della trasmissione del calore, oscambio termico

Da un punto di vista tecnico-ingegneristico, assegnati una superficie dicontrollo SC e un volume di controllo V C, i problemi essenziali dellatrasmissione del calore sono

la determinazione della potenza termica trasmessa per unadeterminata differenza di temperatura attraverso la SC, e

la determinazione della distribuzione della temperatura sulla SC onel V C

Molte sono le grandezze, i parametri di interesse delle tecnologie cheriguardano i substrati, i liquidi alimentari e biotecnologici che dipendonofortemente dal valore della temperatura e del calore scambiato




















Le motivazioni di questa analisi

I parametri di qualita e sicurezza del prodotto di nostro interesserisultano quindi essere fortemente dipendenti dalla distribuzione dellatemperatura. E altresı necessaria l’analisi dettagliata della trasmissionedel calore del processo dal punto di vista dello scambio termico, cosıcome per valutare il costo, le possibilita e le dimensioni del componentedell’impianto necessario per scambiare una certa quantita di calore in undato intervallo di tempo.Il tempo entra con importanza nel nostro discorso:

Le dimensioni delle caldaie, dei radiatori, dei refrigeratori, deireattori e degli scambiatori di calore dipendono non solo dallaquantita di calore scambiata ma soprattutto dalla velocita alla qualeil calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate

Il funzionamento dei componenti di un impianto (per evitare il suodanneggiamento) dipendono dalla possibilita di raffreddare oriscaldare alcune parti di esso facendo transitare continuamente evelocemente calore attraverso le sue superfici







































L’importante dipendenza dal tempo

Nella soluzione di problemi di trasmissione del calore occorre non soloindividuare le inerenti modalita di scambio termico ma anche stabilire seil processo e a regime stazionario o instazionario (transitorio):

Quando la potenza termica in un sistema non varia nel tempo, cioe ecostante, la temperatura in ciascun punto non cambia e si hannocondizioni stazionarie: in qualsiasi punto del sistema la potenzatermica entrante deve essere esattamente uguale alla potenzatermica uscente e non si ha alcuna variazione dell’energia

La trasmissione del calore in un sistema avviene in condizioni diregime instazionario quando la temperatura in qualche punto varianel tempo. Una variazione di temperatura sta ad indicare unavariazione di energia interna, per cui tutti i problemi in cui si verificaun flusso non a regime determinano un aumento o una diminuzionedel contenuto di energia


















Le modalita di trasmissione del calore

Lo scambio termico non e regolato da un’unica relazione ma piuttosto dauna combinazione di diverse leggi fisiche indipendenti, distinguendo tredifferenti modalita di trasmissione del calore:

(1) conduzione

(2) convezione

(3) irraggiamento

Rivediamo quindi i relativi concetti






(1) conduzione

(2) convezione

(3) irraggiamento







(1) conduzione

(2) convezione

(3) irraggiamento






Osserviamo questa scena, in cui un gruppodi persone (il mezzo considerato, oggettodell’analisi) sta lavorando per portare eversare l’acqua (il calore che si statrasmettendo) dal pozzo dove e stataemunta, sull’incendio che e scoppiato nellacascina (la differenza di “potenziale” cioe dipresenza di acqua tra il pozzo e la cascinarappresenta la differenza di temperatura)

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(1) Consideriamo il fatto che le persone sipassano a mano il secchio con l’acqua:cio equivale alla trasmissione delcalore per conduzione. Questo e unfenomeno per cui il calore fluisce dauna regione a temperatura maggioreverso una regione a temperaturaminore attraverso un solo mezzo(solido, liquido o aeriforme) oattraverso mezzi diversi posti a direttocontatto fisico

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(1) Conduzione. L’energia si trasmettecosı per contatto diretto tra le molecolesenza che si spostino sensibilmente.Secondo la teoria cinetica, latemperatura di un elemento materiale eproporzionale all’energia cinetica mediadelle sue molecole e l’energia internarappresenta la somma di tutti icontributi microscopici di energiaassociati alle molecole costituenti ilsistema (velocita e posizione relativa)

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(1) Conduzione. Quando le molecole diuna regione acquistano un’energiacinetica media maggiore di quella dellemolecole di una regione adiacente,come indicato da una differenza ditemperatura, le molecole aventimaggiore energia cedono parte diquesta alle molecole della regione atemperatura minore (nei fluidi, cioavviene per urto elastico, nei metalliper diffusione degli elettroni piu velocida regioni a temperatura maggioreverso regioni a temperatura minore)

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(1) Conduzione. L’effetto rilevabile dellaconduzione e un livellamento dellatemperatura. Pero, se con addizioni osottrazioni di calore in punti diversivengono mantenute delle differenze ditemperatura, si stabilisce un flussocontinuo di calore dalla regione piucalda alla regione piu fredda

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(2) Consideriamo poi il fatto che unapersona puo correre, dal pozzo allacascina, portando con se il secchiodell’acqua: cio equivale allatrasmissione del calore perconvezione. Questo e un fenomenoper cui il calore viene trasmesso da unaregione a temperatura maggiore versouna regione a temperatura minoremediante l’azione combinata dellaconduzione, dell’accumulo di energia edel mescolamento; e la piu importantemodalita di scambio di energia tra unasuperficie solida ed un fluido

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(2) Convezione. Da una superficie (piucalda del fluido a contatto) il calore etrasmesso dapprima per conduzione alleparticelle di fluido adiacenti (facendoneaumentare l’energia interna e latemperatura), poi queste si muovonoverso una regione del fluido piu freddae si mescolano con esso cedendo partedella loro energia ad altre particelle. Siha quindi flusso tanto di materiaquanto di energia, l’energia e cioeeffettivamente immagazzinata nelleparticelle ed e asportata dal loro moto

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(2) Convezione. Possiamo distinguere traconvezione libera o naturale econvezione forzata, secondo la causache determina il moto. Nel primo caso,il moto dipende unicamente dadifferenze di densita dovute a gradientidi temperatura; nel secondo, il moto eindotto da qualche agente esterno, unapompa o un ventilatore

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(2) Convezione. Anche i processi discambio termico che implicanocambiamenti di fase sono consideraticonvettivi a causa del moto del fluidoindotto: ad es. l’ascesa di bolle divapore durante l’ebollizione o la cadutadi goccioline di liquido durante lacondensazione

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(2) Convezione. Poiche l’efficacia delloscambio termico convettivo dipende ingran misura dal moto del fluido, lostudio della convezione e dunquebasato sulla conoscenza delle suecaratteristiche fluidodinamiche: solodopo la determinazione del campo divelocita e possibile determinare ilcampo di temperatura

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(3) Consideriamo infine che l’acqua puoessere diretta con un ugello,indipendentemente dal mezzoattraversato (non vi sono personecoinvolte alla trasmissione)direttamente sull’incendio: cio equivalealla trasmissione del calore perradiazione o irraggiamento. Questo eun fenomeno per cui il calore vienetrasmesso da un corpo a temperaturamaggiore verso un corpo a temperaturaminore quando i corpi non sono acontatto, anche se tra essi c’e il vuoto

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(3) Irraggiamento. Il termine“irraggiamento” si riferisce in generalea qualunque fenomeno di propagazionedi onde elettromagnetiche, mainteressano lo scambio termico soloquei fenomeni dipendenti dallatemperatura, i quali consentono iltrasporto di energia attraverso unmezzo trasparente o attraverso il vuoto

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(3) Irraggiamento. Tutti i corpi emettonocontinuamente calore perirraggiamento e l’intensitadell’emissione dipende dallatemperatura e dalla natura dellasuperficie. L’energia raggiante viaggiaalla velocita della luce (3× 108 m/s) epresenta una fenomenologia simile aquella della radiazione luminosa; infattila luce (radiazione visibile per l’occhioumano) e caratterizzata da frequenzeappartenenti allo stesso spettro, piuampio, dell’irraggiamento termico.Pertanto questo puo essere descrittocon la teoria delle onde

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(3) Irraggiamento. Secondo questateoria, il calore irraggiato e emesso daun corpo sotto forma di quantita finiteo quanti di energia; per analogia con laradiazione luminosa, esso presenta siaeffetti di interferenza (natura ondosa)che l’effetto fotoelettrico (naturaparticellare). Quando le radiazioniincontrano un altro corpo, la loroenergia resta assorbita solo inprossimita della superficie

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3





(3) Irraggiamento. Lo scambio termicoper irraggiamento diventa sempre piuimportante al crescere dellatemperatura di un corpo, ma neiproblemi tecnici in cui le temperaturesiano prossime a quella atmosferica(ambientale) l’irraggiamento puospesso essere trascurato

acquadal pozzo

cascina infiamme

1

2

3




Modalita e meccanismo fisico

Solo la conduzione e l’irraggiamento possono in realta essere classificaticome processi di scambio termico perche solo questi due meccanismidipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. Laconvezione infatti dipende anche dal trasporto della quantita di moto(meccanica dei fluidi), ma poiche comporta anch’essa la trasmissione dienergia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperaturainferiore, ne e invalsa l’inclusione nelle modalita di scambio termico.Ciascuna di queste tre modalita puo essere descritta e studiataseparatamente, ma nella maggior parte dei fenomeni naturali il calorefluisce non secondo una solo ma secondo piu modalitacontemporaneamente. Si deve dunque saper valutare l’importanzarelativa delle varie forme di trasmissione del calore poiche nella pratica,quando una modalita e predominante, possono effettuarsi utiliapprossimazioni trascurando le altre; tuttavia un cambiamento dellecondizioni esterne puo richiedere di tenere conto di una o di ambedue lemodalita precedentemente trascurate





























Presentazione delle tre modalita di scambio termico

Il materiale presentato in questo corso, per avvalersi delle analogie conquanto esposto finora, sara sezionato adeguatamente in 3 parti, madiversa sara la sequenza della presentazione dei livellimolecolare/microscopico/macroscopico. Infine, solo un trattamentoelementare sara fatto per l’irraggiamento, a causa del ridotto numero dicrediti attribuito al corso














Considerazioni preliminari sulla Trasmissione del Calore

FINE


Documents

La Trasmissione del Calore Considerazioni preliminari - Le ...old · FENOMENI DI TRASPORTO per i Tecnologi Alimentari La Trasmissione del CaloreConsiderazioni preliminari. La natura