Transferul de căldură

Capitol despre modalitățile prin care căldura se transmite între corpuri și aplicațiile în viața cotidiană.

Cum și încotro se transmite căldura

Pune o lingură de metal în ceai și, după câteva zeci de secunde, coada ei se încălzește. Lasă ceaiul pe masă și, după o oră, îl găsești rece. În ambele cazuri s-a produs un transfer de căldură.

Două reguli valabile întotdeauna, indiferent de situație:

• căldura trece spontan doar de la corpul mai cald către cel mai rece, niciodată invers;
• transferul continuă până când cele două corpuri ajung la aceeași temperatură, adică până la echilibru termic.

De aceea nu există „transfer de frig”. Când ții un cub de gheață în palmă, nu frigul intră în mână, ci căldura din mână iese spre gheață. Formularea corectă contează la evaluare: gheața nu răcește palma, ci palma încălzește gheața și, cedând energie, se răcește.

Există trei moduri prin care se poate face acest transfer: conducția, convecția și radiația. Ele nu se exclud – în majoritatea situațiilor reale acționează simultan. La un calorifer aprins, metalul se încălzește prin conducție, aerul din cameră circulă prin convecție, iar suprafața fierbinte emite radiație spre tine.

În continuare vom vedea prin ce se deosebesc, iar întrebarea care le separă cel mai bine este: se deplasează substanța sau nu?

Conducția termică

Conducția este transmiterea căldurii din aproape în aproape, prin interiorul unui corp sau între corpuri aflate în contact, fără deplasarea substanței.

Mecanismul: particulele din zona încălzită se agită mai puternic, lovesc particulele vecine și le transmit o parte din energie, iar acestea la rândul lor pe următoarele. Substanța rămâne pe loc; se transmite doar agitația.

Conducția este modul de transfer specific solidelor. După cât de bine conduc căldura, corpurile se împart în:

• bune conductoare – toate metalele, în frunte cu argintul, cuprul și aluminiul. De aceea oalele și radiatoarele sunt din metal, iar o balustradă metalică pare mai rece decât una de lemn aflată la aceeași temperatură: metalul îți ia căldura din mână mult mai repede;
• rele conductoare (izolatoare termice) – lemnul, plasticul, cauciucul, sticla, hârtia, pluta, polistirenul, lâna, vata, și mai ales aerul uscat și nemișcat.

Un amănunt care explică multe: materialele izolatoare bune sunt aproape toate poroase, adică pline de aer închis în goluri mici. Nu lâna în sine ne ține de cald, ci aerul prins între fibrele ei. Din același motiv, două bluze subțiri încălzesc mai bine decât una groasă, iar geamul termopan are între foile de sticlă un strat de gaz.

Lichidele și gazele conduc slab căldura. Apa este un conductor destul de prost: partea de sus a unei eprubete poate fierbe în timp ce, la fund, o bucată de gheață încă nu s-a topit.

Convecția termică

Convecția este transmiterea căldurii prin deplasarea efectivă a substanței și se produce numai în fluide, adică în lichide și gaze. În solide nu poate avea loc, pentru că particulele lor nu se pot deplasa liber – acesta este criteriul de recunoaștere cerut la evaluare.

Cum se formează un curent de convecție: porțiunea de fluid încălzită se dilată, devine mai puțin densă și urcă; locul ei este luat de fluidul mai rece și mai dens, care coboară, se încălzește la rândul lui și urcă. Se creează astfel o circulație închisă, care amestecă întreaga masă de fluid.

De aici vin explicații pe care le poți verifica acasă:

• caloriferul se montează jos, sub fereastră, ca aerul cald să urce și să pună în mișcare tot aerul din cameră; montat lângă tavan, ar încălzi doar zona de sus;
• aparatul de aer condiționat se montează sus, pentru că aerul rece coboară;
• congelatorul unui frigider vechi se află în partea de sus, din același motiv;
• apa dintr-un vas se încălzește de jos, prin fundul vasului, ca să pornească curenții de convecție.

În natură, convecția este motorul multor fenomene: vânturile (aerul cald urcă și aerul rece îi ia locul), brizele de zi și de noapte de pe litoral, curenții oceanici și norii formați din aerul cald și umed care urcă. Tot ea explică tirajul unui coș de fum și motivul pentru care fumul urcă vertical pe vreme liniștită.

Radiația termică

Radiația termică este transmiterea căldurii prin unde, fără să fie nevoie de un mediu material. Aceasta este trăsătura ei unică și cea mai importantă: radiația este singurul mod de transfer care se produce și prin vid.

Dovada este chiar Soarele: între el și Pământ se află aproximativ 150 de milioane de kilometri de spațiu practic gol, prin care nici conducția, nici convecția nu ar putea trece. Cu toate acestea, energia solară ajunge la noi.

Orice corp cu temperatura peste zero absolut emite radiație termică. Cu cât corpul este mai fierbinte, cu atât radiază mai puternic: simți căldura unui foc de tabără fără să atingi flacăra și fără ca aerul cald să ajungă la tine, pentru că el urcă.

Cum interacționează corpurile cu radiația:

• corpurile de culoare închisă și mată absorb bine radiația și se încălzesc repede la soare; tot ele emit bine căldura;
• corpurile deschise la culoare, lucioase, oglindite reflectă radiația și se încălzesc mult mai puțin.

De aceea vara purtăm haine deschise la culoare, casele din țările calde sunt văruite în alb, foliile de salvare sunt argintii, iar pe spatele radiatoarelor se montează uneori folie reflectorizantă, ca să trimită căldura înapoi în cameră.

Greșeala clasică: mulți elevi cred că radiația înseamnă neapărat ceva periculos sau nuclear. În fizică, radiația termică este pur și simplu energia emisă de orice corp cald – inclusiv de propriul tău corp, motiv pentru care camerele termice ne pot vedea în întuneric.

Aplicații practice

Vasul termos este exemplul preferat al manualelor, pentru că blochează toate cele trei moduri de transfer:

• pereți dubli, cu vid între ei – vidul oprește conducția și convecția, care au nevoie de substanță;
• suprafețe oglindite (argintate) – reflectă radiația înapoi, în ambele sensuri;
• dop din material izolator și sprijinirea vasului interior în puncte mici – reduc conducția pe unde ar putea totuși trece căldura.

De aceea termosul păstrează la fel de bine și băuturile calde, și pe cele reci: el nu „ține cald”, ci încetinește orice schimb de căldură cu exteriorul.

Alte aplicații de reținut:

• izolarea termică a locuinței – polistiren pe pereți, vată minerală în pod, geamuri termopan cu strat de gaz între foi; toate se bazează pe rele conductoare de căldură;
• cojocul, puful și blana animalelor – rețin aer nemișcat printre fibre sau fire de păr;
• mânerele oalelor din lemn sau plastic, pentru a nu conduce căldura spre mână;
• panourile solare care absorb radiația, vopsite în negru mat;
• radiatoarele mașinilor și ale calculatoarelor, cu lamele metalice subțiri care măresc suprafața de contact cu aerul și favorizează convecția;
• efectul de seră, în care sticla sau atmosfera lasă radiația solară să intre, dar împiedică o parte din căldură să iasă înapoi.

O temă de gândire care leagă tot capitolul: de ce iarna, îmbrăcați gros, nu ne încălzim de la haine? Pentru că hainele nu produc căldură; ele doar reduc pierderea căldurii pe care o produce propriul nostru corp. Un termometru înfășurat în fular nu va arăta niciodată mai mult decât temperatura camerei.

Test — 6 întrebări ca la examen