Calcolatore Trasferimento di Calore
Calcola il trasferimento di calore, la capacità termica specifica, la massa e la variazione di temperatura usando equazioni termodinamiche
Energia termica (Q)
Massa (m)
Calore specifico (c)
Var. temperatura (ΔT)
Soluzione passo dopo passo
Flusso di calore (Q/t)
Resistenza termica (R)
Soluzione passo dopo passo
Formule del trasferimento di calore
Il trasferimento di calore è il movimento di energia termica da un oggetto o una sostanza a un'altra a causa di una differenza di temperatura. Esistono tre modalità fondamentali di trasferimento del calore: conduzione, convezione e irraggiamento.
Equazione della calorimetria
Q = m × c × ΔT
- Q = energia termica trasferita (Joule)
- m = massa della sostanza (kg)
- c = capacità termica specifica (J/(kg·K))
- ΔT = variazione di temperatura (K o °C)
Legge di Fourier della conduzione termica
Q/t = k × A × ΔT / d
- Q/t = flusso di calore (Watt)
- k = conducibilità termica (W/(m·K))
- A = area della sezione trasversale (m²)
- ΔT = differenza di temperatura attraverso il materiale (K o °C)
- d = spessore del materiale (m)
Variabili
- Q — Energia termica (J). 1 kJ = 1.000 J; 1 cal ≈ 4,184 J.
- m — Massa della sostanza riscaldata o raffreddata (kg).
- c — Capacità termica specifica, l'energia necessaria per innalzare di 1 K la temperatura di 1 kg. L'acqua ha una delle più alte: 4.186 J/(kg·K).
- ΔT — Variazione di temperatura. Una variazione di 1°C equivale a una variazione di 1 K.
- k — Conducibilità termica, una proprietà del materiale che descrive quanto bene conduce il calore. I metalli hanno valori di k elevati; gli isolanti hanno valori di k bassi.
Capacità termiche specifiche comuni
| Materiale | c [J/(kg·K)] | Note |
|---|---|---|
| Acqua (liquida) | 4.186 | La più alta tra le sostanze comuni |
| Ghiaccio | 2.090 | A 0°C |
| Vapore | 2.010 | A 100°C e 1 atm |
| Aria | 1.005 | A pressione costante |
| Alluminio | 900 | Leggero, buon conduttore |
| Sabbia | 840 | Spiega la sabbia calda in spiaggia |
| Etanolo | 790 | Solvente comune |
| Vetro | 710 | Vetro borosilicato |
| Ferro / Acciaio | 449 | Ghisa |
| Rame | 385 | Eccellente conduttore termico |
| Piombo | 235 | Metallo denso |
| Oro | 129 | Basso calore specifico |
| Argento | 128 | La più alta conducibilità termica tra i metalli |
Modalità di trasferimento del calore
Conduzione
Trasferimento di calore attraverso il contatto molecolare diretto all'interno di un solido o tra oggetti a contatto.
- • Governata dalla legge di Fourier
- • Dipende dalla conducibilità termica (k)
- • I metalli sono eccellenti conduttori
- • Esempio: toccare una padella calda
Convezione
Trasferimento di calore attraverso il movimento di massa dei fluidi (liquidi o gas).
- • Legge del raffreddamento di Newton: Q/t = hAΔT
- • Convezione naturale o forzata
- • Guidata dalla spinta di Archimede o da forze esterne
- • Esempio: acqua in ebollizione, vento gelido
Irraggiamento
Trasferimento di calore attraverso onde elettromagnetiche senza necessità di un mezzo.
- • Legge di Stefan–Boltzmann: Q/t = εσAT⁴
- • Nessun contatto fisico necessario
- • Dipende dall'emissività della superficie
- • Esempio: la luce solare che riscalda la Terra
Riferimenti
Le formule e i dati sulle proprietà dei materiali utilizzati in questo calcolatore si basano su principi consolidati della termodinamica e fonti sottoposte a revisione paritaria:
- Engineering ToolBox – Capacità termica specifica delle sostanze comuni
- Engineering ToolBox – Conducibilità termica dei materiali comuni
- NIST – Costanti fisiche fondamentali
- OpenStax University Physics Vol. 2 – Trasferimento di calore, calore specifico e calorimetria
- HyperPhysics – Trasferimento di calore
- Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L., & Lavine, A. S. (2006). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (6ª ed.). John Wiley & Sons.
- Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2014). Thermodynamics: An Engineering Approach (8ª ed.). McGraw-Hill Education.
Nota: Questo calcolatore utilizza equazioni termodinamiche idealizzate e proprietà standard dei materiali a temperatura ambiente. I risultati reali possono variare a causa di fattori quali proprietà dei materiali dipendenti dalla temperatura, dispersioni termiche nell'ambiente, cambiamenti di fase e distribuzione non uniforme del calore.
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