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domenica 20 gennaio 2013

Casa con cappotto: la Fisica che serve 2)

Tutto il mondo che conosciamo (aria, acqua, terra, esseri viventi...)  è fatto di atomi singoli o combinati tra di loro (molecole).
Anche se, a occhio, non si nota, atomi e molecole non stanno mai fermi: vibrano, ruotano, vanno da una parte all'altra, si scontrano.
Nei solidi, atomi e molecole sono impacchettati in modo compatto e il loro movimento si limita a vibrazioni e piccoli spostamenti intorno alla loro posizione; le molecole di liquidi e gas hanno più libertà di movimento. L'entità di questi movimenti (ampiezza delle oscillazioni, velocità negli spostamenti) dipende dall'energia assorbita da ciascuna molecola. A questo tipo di energia, legata al movimento si da il nome di Energia Cinetica.
Movimenti di molecole gassose, liquide e solide
Maggiore quantità di energia hanno a disposizione le molecole, maggiore sarà la velocità con cui si muovono nello spazio disponibile molecole di gas e liquidi e maggiore sarà l'ampiezza di oscillazione delle molecole di corpi solidi.
Il calore di un oggetto corrisponde alla quantità di energia cinetica che mediamente possiedono le molecole che formano questo oggetto.
Dopo essere stato  in frigorifero, le molecole del mattone dell'esperimento virtuale descritto nel  precedente post vibravano con una ampiezza minore di quando si trovavano prima di essere messi nel frigo e il minor contenuto di energia cinetica delle molecole del mattone si evidenziava con la sua temperatura (4 °C), più bassa di quella della stanza in cui il mattone si trovava (20 °C).
E cosa succede quando una molecola urta un'altra molecola?
Le molecole, con l'urto, si scambiano energia e inevitabilmente la molecola più veloce rallenta ( diminuisce la sua energia cinetica e quindi si "raffredda" ) e quella più lenta, grazie all'urto, accelera, aumenta la sua energia cinetica e quindi "si riscalda".
Ora, spero vi sia più chiaro cosa succede quando un mattone "freddo" è messo in contatto con un mattone "caldo".
Le molecole veloci del mattone caldo, urtano con le molecole lente del mattone freddo.
Le molecole del mattone freddo, con l'urto, assorbono energia, si muovono più velocemente e quindi si riscaldano. Le molecole riscaldate, a loro volta, urtano le molecole fredde vicine a loro "riscaldandole".
In conclusione, con questi urti a catena, l'energia termica si diffonde progressivamente dal mattone caldo a quello freddo e questo scambio continua fino a che tutte le molecole di entrambi i mattoni non hanno la stessa temperatura, la stessa energia cinetica. In queste condizioni non sono più possibili scambi di energia.
La figura accanto sintetizza, in modo semplificato, quanto abbiamo spiegato.
A sinistra il mattone caldo (molecole rosse e in forte movimento come evidenziano le frecce nere) a destra il mattone freddo (molecole azzurre, più lente).
A causa degli urti, mano a mano che passa il tempo, l'energia cinetica delle molecole del mattone caldo passa alle molecole del mattone freddo.
Durante questi scambi, le molecole rosse passano al colore rosa (si raffreddano). Anche le molecole azzurre ( fredde) cambiano progressivamente colore (rosa sempre più pallido).
Alla fine degli scambi di energia, entrambi i mattoni saranno alla stessa temperatura, più bassa di quella di partenza per il mattone a sinistra, più alta per il mattone a destra.
Quanto fin qui illustrato ci dovrebbe essere utile per capire uno dei modi con cui il calore si diffonde da un oggetto caldo ad un altro freddo: la conduzione. 
La teoria cinetica del calore ci aiuta a comprendere anche un altro fenomeno, importante per un ottimale riscaldamento delle nostre abitazioni, la convezione.
In un solido caldo, la maggiore intensità delle vibrazioni degli atomi che lo compongono provoca un aumento del volume: è il fenomeno che si frutta nei termometri a mercurio e ad alcool. Lo stesso fenomeno si verifica con i liquidi e i gas. In particolare, l'aria calda occupa un volume maggiore dell'aria fredda. Poichè lo stesso numero di molecole "calde" occupa un volume maggiore dello stesso numero di molecole fredde, la densità di una massa d'aria calda è minore di quella dell'aria fredda. Pertanto quando aria fredda lambisce un calorifero, per conduzione si riscalda, diventa più leggera e si muove, per moto convettivo, verso l'akto, trasportando con se il calore  assorbito. 
L'aria calda cede il suo calore agli oggetti con cui si mette in contatto, quindi si raffredda, diminuisce il suo volume, aumenta di densità e ricade verso il pavimento freddo e ritorna al calorifero. Grazie a questi moti convettivi si riesce a distribuire il calore su tutta la stanza. Ovviamente è necessario che il calorifero sia libero sa tutti gli schermi che di solito le padrone di casa usano per "nasconderli".

Tutte le puntate di Casa con Cappotto:

- Che classe energetica sei?
- Stare in mutande: quanto mi costa?
- Misuriamo gli sprechi evitabili
- Vasi "termici" comunicanti
- Sangue caliente 
- Muffe e condense
- Punti freddi
- Barriere frangivento
- Via col vento
- Finestre solari 3
- Finestre solari 2
- Finestre solari 1
- Occhio ai cassonetti
- Riflettori sui caloriferi
- Liberiamo i caloriferi
- La Fisica che serve 3
- La Fisica che serve 2
- La Fisica che serve 1
- Casa con cappotto