Dissipare il calore

Raffreddare

Se "scaldare" vuol dire aumentare l' energia termica,  "raffreddare" un corpo significa

sottrarre energia termica (calore) a quel corpo e trasferirla altrove

Dato che l' energia non possiamo distruggerla, la dobbiamo trasferire da qualche altra parte.

Quando tocchiamo un pezzo di ghiaccio, abbiamo la sensazione di freddo perchè il calore dal corpo (caldo=maggiore energia) passa al ghiaccio (freddo=minore energia); perdendo energia termica, la temperatura del corpo si abbassa e abbiamo la sensazione del freddo; la temperatura del ghiaccio, che acquista energia, si alza ed esso si scioglie.

Quindi:

 un "raffeddamento" è un passaggio di calore da un corpo caldo ad uno meno caldo.  

Il corpo caldo cede calore a quello più freddo e, perdendo energia termica, si "raffredda", cioè si riduce la sua temperatura.

In altre parole, quando vogliamo raffreddare, facciamo "scaricare" da qualche parte l'energia termica in eccesso, per ottenere una riduzione della temperatura.

Questo presume che si abbiano due elementi:
- uno più caldo
- uno più freddo

e ci sia il modo di far passare il calore dall' uno all' altro.

Essenzialmente, il corpo più freddo è costituito dall' atmosfera della Terra.  Quando raffreddiamo qualcosa, trasferiamo parte dell' energia termica all' aria dell' atmosfera: l' oggetto caldo si raffredda e l' atmosfera si scalda di una quantità corrispondente. Per un esempio pratico di questo, prendiamo il funzionamento di un condizionatore d'aria: un sistema frigorifero produce un fluido a bassa temperatura che assorbe calore dall'aria della stanza, raffreddandola. E questo calore non sparisce, ma viene scaricato all' esterno della casa, nell' aria circostante.

Questi tre punti sono fondamentali:

E' importante avere presente che :

il calore, come ogni altra forma di energia, si può trasformare, ma non si può fare sparire nel nulla

Possiamo trasformare il calore in elettricità attraverso i vari passaggi delle centrali termoelettriche o possiamo utilizzarlo in reazioni chimiche. Così pure possiamo trasformare energia insita nella chimica delle sostanze in calore, ad esempio bruciando un gas. 

Ma il condizionatore non fa sparire il calore della stanza nel nulla: lo sposta all' esterno della stanza stessa. In queste operazioni di spostamento, ad ogni caloria sottratta alla stanza dal condizionatore corrisponde una caloria (in effetti di più, causa il rendimento ovviamente inferiore a 1) che viene passata all' ambiente attorno alla casa.  

Quando facciamo bollire un uovo, esso si scalda perchè acquisisce energia termica che gli viene trasmesso da una sorgente attraverso vari passaggi: il gas brucia, producendo calore, scalda il metallo del recipiente che scalda l' acqua contenuta, la quale scalda le uova immerse in essa. Anche questa semplice osservazione è molto più importante di quello che sembra, in quanto contiene elementi essenziali:

Dunque il calore è immaginabile come qualcosa che fluisce da un corpo in contatto con un altro: questo passaggio del calore per contatto si chiama conduzione. 

Possiamo farci ancora una idea della conduzione mettendo un cucchiaino nel caffè: dopo poco l'impugnatura è diventata calda, perchè il metallo ha trasportato il calore del liquido fino alla sua estremità. Lo steso otteniamo se rimestiamo la minestra con un cucchiaio metallico: dopo poco esso è diventato così caldo da non poter essere tenuto in mano. Il metallo è un ottimo conduttore di calore. Il calore è passato al metallo e si è diffuso in tutta la sua massa.  

Se, però, usiamo un cucchiaino di plastica per mescolare il caffè (o di legno, per la minestra), il manico non si scalda significativamente, per quanto sia lungo il tempo in cui teniamo l' attrezzo nell' acqua bollente. Questo perchè la plastica (e il legno), al contrario del metallo, sono pessimi conduttori di calore; il calore del liquido non si trasmette lungo il materiale. Dunque abbiamo un' altra informazione:

Come per la corrente elettrica, dove distinguiamo conduttori e isolanti, anche per il calore possiamo fare una simile distinzione nei materiali. Ecco una tabella comparativa di esempio:

La conducibilità termica è misurata in W/m K (o °C) alla temperatura di riferimento di 20 °C; maggiore è il suo valore, maggiore è capacità della sostanza di condurre il calore. Argento (metallo) e polistirolo (plastica) sono agli antipodi: l' argento è un ottimo conduttore di calore, il polistirolo è un pessimo conduttore di calore (e per questa ragione viene utilizzato negli isolamenti termici).

Fino a quando passa il calore? fino a quando si ottiene un equilibrio delle temperature dei due corpi o ambienti, dopo di che non c'è altra riduzione della temperatura.

Quale sarà la temperatura minima raggiungibile dal corpo che si raffredda? Quella dell'ambiente a cui cede calore. Quindi, ad esempio, in una stanza con temperatura di 30°C non ci saranno corpi a meno di questa temperatura, se non utilizzando un sistema criogenico.

Sul calore si potrebbe ancora parlare a lungo: esiste una gigantesca bibliografia, dato che esso è la forma primordiale dell' energia. Un intero ramo della fisica, la termodinamica, è dedicata a questo.
Per quello che serve alla nostra trattazione possiamo ancora aggiungere l' informazione relativa al calore specifico, ovvero alla quantità di calore che possono assorbire le varie sostanze e che dipende dalla loro natura. Sostanzialmente indica quanto calore occorre per far aumentare la temperatura in un corpo. Varia in un raggio molto ampio, da 0.385 del rame a 4.18 J/(g°C) dell' acqua; cioè occorre una bassa quantità di energia termica (0.385 joule) per aumentare di un grado la temperatura di un grammo di rame, mentre ne occorrono ben 4.18 per un grammo di acqua (10.85 volte di più). Al contrario, il rame si raffredderà, ovvero cederà calore 10.85 volte più rapidamente dell' acqua.  Il calore specifico molto elevato dell'acqua fa si che grandi bacini, laghi e mari, si comportino come grandi "serbatoi termici", acquisendo calore dal sole durante il giorno e rilasciando l'enorme quantità di energia nella la notte e mitigando così il clima.

Quando il calore generato da un oggetto arriva alla superficie, si trova a contato con l' aria e, se la sua temperatura è maggiore, rilascia il calore nell' ambiente.

E' interessante l' esperienza di sospendere una piccola spirale sopra un termosifone o un' altra fonte di calore: la spirale inizierà a girare. Questo è dovuto ad una corrente di aria che si è scaldata a contatto con la sorgente di calore e che, diventata più leggera dell' aria circostante, tende a salire. Il calore, dalla superficie della sorgente è passato all' aria che gli scorre attorno, mossa proprio dal ricevere calore. Questo modo di passare il calore attraverso un fluido si chiama convezione.

Ma possiamo passare il calore all' ambiente anche attraverso una ulteriore via, che quella della trasmissione diretta: il calore, secondo la fisica, si trasmette da un materiale ad un' altro, anche attraverso il vuoto, come onda elettromagnetica (radiazione infrarossa). Questo modo si chiama, appunto, irraggiamento. Ad esempio, una stufa elettrica solitamente ha una resistenza montata davanti ad un riflettore metallico che invia il calore verso l' utilizzatore. Per inciso, una superficie nera ha un ottimo effetto di radiazione (e assorbimento) del calore.