L' equivalente elettrico del calore
Conosciamo bene un semplice circuito elettrico.
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Gli elementi tipici sono:
- il generatore elettrico, che fornisce una differenza di potenziale (ddp)
che è la "forza" che permette il movimento degli
elettroni
- il movimento degli elettroni nei conduttori (corrente
elettrica)
- la resistenza dei materiali che compongono il circuito
La corrente scorre dal polo in cui gli elettroni sono in sovrappiù
a quello in cui sono in difetto; non può accadere l'
inverso. |
Possiamo considerare in modo analogo un circuito "termico".
Possiamo allora definire:
| Elettrico |
Termico |
| generatore elettrico |
generatore termico |
| differenza di potenziale |
differenza di temperatura |
| corrente elettrica |
flusso del calore |
| resistenza elettrica |
resistenza termica |
- il generatore termico fornisce una differenza di
temperatura
che è la "forza" che permette il movimento del calore
- il movimento degli calore avviene nei materiali conduttori
termici
- la resistenza termica dei materiali si oppone al passaggio
del calore
Il calore scorre dal punto in cui l' energia termica è maggiore verso quello in cui
essa è minore; non può accadere l' inverso, così come la corrente viene
spinta da un punto a tensione maggiore verso quello a tensione minore.
Possiamo vedere una immediata analogia tra elettricità e calore.
| Elettricità |
Calore |
| differenza di potenziale |
differenza di temperatura |
| corrente |
calore |
| resistenza elettrica |
resistenza termica |
La differenza di temperatura è analoga alla ddp: tra generatore e
ambiente circostante questa differenza produce un movimento del calore,
esattamente come la differenza di potenziale produce la corrente elettrica.
Quindi possiamo considerare il calore come un flusso di energia analogo
alla corrente: esso scorre in prevalenza nei materiali che hanno buona
conducibilità termica, come la corrente scorre nei materiali che hanno
buona conducibilità elettrica. In ogni caso, questi materiali oppongono comunque una resistenza al passaggio
del calore, così come i conduttori e gli isolanti fanno nei confronti
della corrente elettrica
Per inciso, i metalli, conduttori elettrici, sono anche conduttori di
calore e le sostanze sintetiche, il vetro, il legno, cattivi conduttori
elettrici (isolanti), sono anche cattivi conduttori di calore.
Quindi possiamo dire che il paragone elettrico è ragionevolmente adeguato
a descrivere la situazione termica.
Possiamo considerare la resistenza termica esattamente nei termini in cui
consideriamo la resistenza nel circuito elettrico.
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Se abbiamo più resistenze in serie, la
tensione si suddivide su ognuna di esse con una serie di cadute di
tensione la cui somma è pari alla tensione fornita dal generatore.
V = V1 + V2 + V3
La tensione relativa ad ogni resistenza è
proporzionale al suo valore ed a quello della corrente che attraversa
la serie, che è uguale per tutte le resistenze della serie. Se misuriamo con un voltmetro la tensione tra la massa d e i punti
a, b, c troviamo una tensione via via decrescente, fino ad azzerarsi a livello della
massa. |
In modo del tutto analogo ci posiamo riferire ad un circuito termico: ai
capi di ogni resistenza termica, analogamente alla differenza di potenziale ai
capi della resistenza elettrica, il passaggio del calore stabilirà una
differenza di temperatura.
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Un generatore di calore crea in un punto una temperatura più elevata rispetto
all'ambiente di riferimento (massa). La differenza di temperatura, che indica una differenza energetica,
fa si che il flusso del calore passi attraverso i vari corpi che sono
in contatto con la fonte del calore; ognuno di essi avrà una sua
resistenza termica e sarà possibile misurare una serie di temperature
decrescenti da quella del generatore di calore allo zero della massa.
Su ogni resistenza termica si crea una caduta di "tensione"
termica, ovvero una differenza di temperatura. Analogamente alla legge
di Ohm, anche per questo circuito serie la somma delle singole
temperature è pari alla temperatura del generatore. |
Quindi, nel circuito termico avremo:
- un generatore di calore, analogo ad un generatore di corrente
- temperature nei vari punti del circuito termico, analogamente alle
tensioni in quello elettrico.
- resistenze termiche, analoghe a quelle elettriche
Possiamo visualizzare una situazione simile immaginando una pentola sul
fuoco: il fuoco è il generatore del calore, che passa alle pareti di metallo
della pentola e da queste all' acqua contenuta. La pentola avrà un manico
ricoperto di un materiale plastico termo indurente che trasmette a fatica il
calore (ha una elevata resistenza termica).
La temperatura alla fiamma sarà di molte centinaia di gradi, si ridurrà a
centinaia sul metallo del recipiente e a 100°C nell' acqua, mentre potremo
maneggiare la pentola grazie al manico isolante che è a pochi gradi in più
dell' aria ambiente.
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In un tipico circuito termico attorno ad un componente elettronico,
la situazione è analoga: il calore viene generato dalle giunzioni del
semiconduttore, passa attraverso il materiale del package, quindi nel
contatto tra questo e il sistema di raffreddamento (dissipatore) e da
questo è passato nell' aria. Il calore attraversa le resistenze
termiche dei materiali in serie tra di loro, tra il generatore
costituito dalla giunzione e la massa costituita dall' ambiente. |
Vediamo qualche particolare.
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