Ştiaţi că o plită încinsă emite radiaţii electromagnetice? Dar că propriul dumneavoastră corp, de asemenea, este un emiţător de unde din gama infraroşii? Cum se face că există dispozitive care reuşesc să vadă pe timp de noapte, chiar şi în condiţii de lipsă totală a luminii?

 

Fundamente

Simplificând lucrurile, în explicarea transferului de căldură ne vom folosi de câteva noţiuni: temperatura, mişcarea căldurii, energia termică (căldura) şi radiaţia infraroşie. Temperatura este cantitatea de energie termică a unui material, măsura energiei cinetice medii a acestuia rezultate din mişcarea atomilor şi moleculelor constituente. Radiaţia infraroşie reprezintă regiunea spectrului electromagnetic cu lungimi de undă între 0,7 şi 300 µm. Mişcarea căldurii este mişcarea energiei termice dintr-un loc în altul ori, mai tehnic spus, schimbul energiei interne (energie asociată mişcării particulelor) dintre sistemele implicate în schimbul de căldură. Căldura are tendinţa de a se muta dintr-un un loc mai cald către unul mai rece. Aşa se face, de exemplu, că masele de aer se mişcă dintr-o zonă în alta, formând vânturi puternice uneori, când diferenţa de temperatură este mare. Transferul căldurii se face în trei feluri: radiaţie, convecţie şi conducţie. La nivel microscopic, energia termică (căldura) înseamnă energia cinetică a particulelor unui material. Cu cât este mai mare agitaţia termică (vibraţia şi mişcarea liniară a particulelor), cu atât este mai ridicată temperatura.

Întrucât căldura este o formă de energie, este măsurată în Jouli.

  • 1 Joule = 1 N*m = 1 kg m/s2 * m
  • 1 calorie este echivalentul energiei necesare pentru a ridica temperatura unui gram de apă distilată de la 19,5 la 20,5 °C.
  • 1 calorie = 4.186 Jouli
  • 1 Calorie mare = 1000 calorii



Atomii şi moleculele se află în continuă mişcare. În lichide şi gaze, atomii se mişcă foarte rapid, lovindu-se unii de alţii şi de marginile containerului în care află; în plus, ei vibrează. În solide atomii nu se prea pot mişca, fiind prinşi în structura matriceală specifică fiecărui tip de solid, dar în schimb vibrează.



Obiectele emit radiaţie când electroni cu energie superioară de pe un nivel atomic superior cad pe un nivel de energie inferior. Pierderea de energie se face prin emisie de fotoni, vehicule ale radiaţiei electromagnetice. De asemenea, atomii absorb energie, electronii încep să se mişte mai repede şi uneori urcă pe niveluri superioare. Toate obiectele emit ori absorb radiaţie. Dacă emisia de energie este mai mare decât absorbţia de energie, temperatura obiectului scade, iar dacă emisia este inferioară absorbţiei, temperatura obiectului creşte.

 

 

 

Radiaţia

Transferul prin intermediul radiaţiei electromagnetice are loc atunci când căldura se transmite de la un corp la altul fără ca cele două corpuri să se atingă. O plită încinsă ori un foc vă încălzesc mâna fără a fi nevoie să atingeţi plita ori să o băgaţi în foc. Unde electromagnetice nevăzute, mare parte din gama undelor infraroşii, poartă căldura de la plită către dumneavoastră. Mâna dumneavoastră absoarbe radiaţia şi, în consecinţă, se încălzeşte.

 

Toate materialele radiază energie termică în cantităţi determinate de căldura lor (Dispozitivele de vedere pe timp de noapte, bazate pe detectarea căldurii radiate de corpul uman, nu emit, ci doar recepţionează radiaţia infraroşie şi o transformă în radiaţie din spectrul vizibil). Energia termică este, în acest caz, transportată de fotoni, vehicule ale radiaţiei electromagnetice de orice frecvenţă. Dacă temperaturile a două corpuri sunt identice, schimbul de căldură nu mai are loc, instaurându-se o stare de echilibru termic.

 

Unde întâlnim acest tip de transfer de căldură?

  • Soarele încălzeşte Pământul prin intermediul radiaţiei solare
  • Un bec cu incandescenţă radiază căldură
  • Focul emite unde electromagnetice prin intermediul cărora ne încălzim.

Desigur, clasificarea transferului căldurii indicată mai sus nu înseamnă că în natură vom găsi ori transfer prin radiaţie, ori prin conducţie, ori prin convecţie. Aşa cum este reprezentat în fotografia de mai jos, cele trei tipuri pot foarte bine coexista.

 

 

 

Conducţia

Conducţia este transferul căldurii dintre două materiale care intră în contact unul cu celălalt. Energia cinetică moleculară a unui material (zone dintr-un material) se transferă unui alt material (zone din acesta) cu energie cinetică mai mică prin intermediul coliziunilor particulelor constituente. Această modalitate este cel mai important tip de transfer pentru solide. De pildă, dacă îndrăzniţi să puneţi mâna pe plita încinsă, transferul de căldură va avea loc foarte rapid, din cauza diferenţei mari de temperatură dintre plită şi mână şi, în funcţie de temperatura plitei, veţi suferi în consecinţă. De asemenea, în felul acesta puteţi explica de ce mânerul ibricului cu care faceţi ceaiul de dimineaţă, dacă nu este făcut dintr-un material cu indice scăzut de conductibilitate termică ori nu este izolat termic, se va încălzi repede şi veţi avea nevoie de un prosop pentru a ridica ibricul de pe aragaz. În acest caz, atomii mânerului intră într-o stare de vibraţie, pe care, prin coliziune, o transferă grabnic atomilor vecini.

Unele substanţe sunt bune conducătoare de căldură, ca de exemplu: argintul, oţelul, fierul, cuprul, pe când altele sunt buni izolatori, ca lemnul, hârtia ori aerul.

În fotografia de mai jos este reprezentarea mişcării atomilor unui solid încălzit, preluată de pe siteul pbs.org.

 

 

 

Convecţia

Convecţia căldurii reprezintă mişcarea naturală a căldurii; acest tip de transfer se aplică gazelor ori fluidelor. După cum sigur aţi observat în propria locuinţă, aerul cald, mai puţin dens, are tendinţa de a se ridica, iar cel rece de a coborî. Acest principiu este ilustrat, bunăoară, de funcţionarea unui cuptor, unde aerul este încălzit de arzător, pentru a urca apoi în partea superioară a cuptorului, unde se răceşte, coboară iarăși, iar ciclul continuă până când mâncarea este gata.

 

 

 

 

Convecţia este cea care coordonează mişcarea unui lichid într-un ibric, de pildă. În timp ce flacăra aragazului acţionează asupra fundului ibricului, apa se încălzeşte, agitaţia internă devine vizibilă cu ochiul liber şi creşte în volum, în timp ce apa mai rece şi mai densă de la suprafaţă coboară, urmând acelaşi ciclu pe care l-am descris mai sus în cazul aerului din interiorul unui cuptor.

 


Unde întâlnim convecţia?

  • Un balon cu aer funcţionează după principiul conform căruia aerul cald este mai uşor decât aerul rece
  • Într-o sobă cu lemne ori cărbuni
  • Curenţii de aer respectă principiul convecţiei
  • Mişcarea aerului din propria locuinţă
  • Mişcarea apei dintr-un vas aflat pe aragaz, la încălzit.

 


 

 

Pot oamenii străluci în întuneric?

Da, chiar şi în lipsa luminii, dacă aveţi un banal dispozitiv de vedere pe timp de noapte, veţi avea plăcerea să vă vedeţi în jur fără să fie nevoie să folosiţi lanterna! Atenţie însă, nu veţi putea vedea decât ceea ce emană căldură, adică radiaţie infraroşie. Noi, oamenii, emitem unde electromagnetice cu lungimea de undă de aproximativ 10 micrometri. În poza de mai jos puteţi vedea o fotografie realizată de NASA, în infraroşu, a unui copil. Desigur, ceea ce vedem este rezultatul transformării aparatului din infraroşu în lumină (înţelegând prin lumină radiaţie electromagnetică din spectrul vizibil), căci ochiul uman, după cum sigur aţi realizat, nu captează decât unde dintr-o zonă restrânsă a spectrului electromagnetic.

 

 

 

Transferul căldurii şi tricoul din timp de vară

 

Materialele negre au caracteristica de a absorbi radiaţia infraroşie mult mai repede decât cele albe. Prin urmare, dacă vă place negru pe timp de vară, ar trebui să vă placă şi căldura, căci tricoul dumneavoastră se va încălzi mult mai rapid decât al colegului ce poartă alb. Dacă e la modă negrul, nu renunţaţi totuşi la negru….