Casa con cappotto: la Fisica che serve 3)

Griglia forno elettrico al calore rosso

Immagino che quasi tutti abbiate avuto la possibilità di vedere un oggetto metallico portato al "calore rosso": la resistenza di un toast e di un forno elettrico, una stufa di ghisa con un bel carico di carbone, un ago d'acciaio messo a contatto con la fiamma del gas.
In tutti questi casi, in cui il metallo arroventato emette una debole luce rossa, potete affermare con sicurezza che la temperatura di quell'oggetto è intorno a 700 gradi centigradi (°C).
Se abbassate la temperatura del forno, il colore rosso sparisce alla vista, ma la resistenza calda continuerà ad emettere "luce", invisibile ai nostri occhi, ma percepibile a distanza, ad esempio con il  palmo della mano.
A questa "luce" invisibile, viene dato il nome di radiazione infrarossa: letteralmente "al di sotto del colore rosso".
In questi casi, la sensazione di calore percepita dalla nostra pelle,  posta ad una certa distanza da un corpo molto caldo, dipende dalla "luce" infrarossa che l'oggetto caldo emette tutt'intorno a se.
Quando questa luce colpisce la pelle, e ogni altro oggetto posto nel suo raggio d'azione, l'energia posseduta da questa "luce" è, in parte, ceduta all'oggetto illuminato e quest'ultimo di riscalda: aumenta la sua temperatura e aumenta, contemporaneamente,  l'intensità della "luce" che il corpo riscaldato, a sua volta, emette intorno a se.
Questo fenomeno si chiama irraggiamento e, insieme alla conduzione e alla convezione che abbiamo visto nelle due precedenti lezioncine, è il terzo ed ultimo modo con cui l'energia termica passa da un oggetto ad un altro.
Per inciso, è solo grazie all'irraggiamento che possiamo scaldarci con la luce del Sole, la cui superfice è talmente calda (5.500 gradi centigradi) da poter dire che è al "calore bianco", il colore della luce con cui il Sole ci inonda quotidianamente da qualche miliardo di anni.
Per cercare di capire come si produce questa luce, dobbiamo ricordare che il modello che abbiamo usato per spiegare la conduzione e la convenzione (atomi e molecole come piccoli corpi solidi) può andar bene ma è troppo semplificato: e' vero, gli atomi hanno una massa e, quando si muovono hanno un'energia cinetica ma, in realtà la loro superfice è una nuvola di elettroni, particelle con carica elettrica negativa.
Quando questa nuvola riceve energia dall'esterno, ad esempio energia termica, questi elettroni assobono in parte questa energia, si eccitano (i fisici usano proprio questo termine) ma, dopo un pò, ritornano allo stato di quiete, emettendo l'energia assorbita sotto forma di "quanti" di luce, pacchetti di energia luminosa la cui intensità dipende dalla energia assorbita: maggiore è l'energia termica assorbita, maggiore è la temperatura, maggiore è l'energia luminosa emessa da questo oggetto caldo.
Pertanto, tutti i corpi caldi emettono luce infra-rossa, con un contenuto di energia via via decrescente, mano a mano che la loro temperatura si abbassa e questo fenomeno cessa solo a valore più basso delle temperature esistenti: nella scala Celsius, meno 273, 15 gradi centigradi, un valore teorico a cui ci si avvicina solo negli spazi intergalattici più remoti.
A questa temperatura le molecole, gli atomi, sono letteralmente immobili, la loro energia termica è nulla, pari a zero, quindi è pari a zero la loro emissione di "luce".
Come abbiamo già detto, i nostri nervi ottici non percepiscono i raggi infrarossi, ma grazie a particolari sensori elettronici queste radiazioni si possono fotografare e opportuni software trasformano l'intensità delle radiazione infrarosse emesse in colori visibili: per convenzione  gli oggetti via via più caldi hanno un colore che va dall'arancio al bianco. Gli  oggetti, via via più freddi, appaiono colorati dal giallo al blu.
L' immagine che segue vi fa vedere come apparirebbe ai nostri occhi un calorifero accesso e ben gestito, se la nostra retina fosse sensibile ai raggi infrarossi.
Non vi da una piacevole sensazione di calore?
E ora immaginatevelo con copertina e copri-calorifero.

Termografia di un calorifero acceso, ben funzionante