PRINCIPI FISICI DELLA TERMOGRAFIA: La trasmissione del calore per irraggiamento

LA TRASMISSIONE DEL CALORE PER IRRAGGIAMENTO E LA TERMOGRAFIA

La componente di trasmissione del calore per irraggiamento è quella più importante per le analisi termografiche, infatti la termografia all’infrarosso attraverso i sensori delle termocamere registra proprio l’emissione del calore per irraggiamento dell’oggetto esaminato. Il raggio termico partendo dall’oggetto esaminato colpisce il sensore che ne registra il livello di energia.

La teoria della trasmissione del calore per irraggiamento

Se si osserva un corpo caldo sospeso in uno spazio vuoto, con pareti a temperatura maggiore di quella ambientale il corpo tende naturalmente a raffreddarsi per raggiunge un equilibrio termico con l’ambiente in cui è immerso.

Il raggiungimento dell’equilibrio avviene poiché il corpo più caldo dell’ambiente circostante comincia a cedere il suo calore attraverso la sua superficie, sino a che la sua temperatura non raggiunge quella dell’ambiente circostante.

Se come detto il corpo caldo è idealmente sospeso nell’ambiente si ha che la trasmissione del calore tra il corpo caldo e l’ambiente circostante più freddo non può avvenire per conduzione (perché non è in contato con nulla) o per convezione (perché non è immerso in nessun fluido ma sospeso nel vuoto).

In altre parole la trasmissione del calore per convezione e per conduzione necessitano entrambi di un mezzo materiale in contatto con il corpo che ne consenta il trasporto del calore dal corpo caldo ad uno più freddo, se ne deduce che necessariamente deve esistere un altro fenomeno di trasmissione del calore: questo fenomeno fisico è detto appunto irraggiamento. La quantità di calore trasmesso per irraggiamento è legato all’emissione di energia del corpo attraverso onde elettromagnetiche che possono diffondersi attraverso, solidi, liquidi gas e persino nel vuoto.

Il calore del sole, infatti, giunge sulla terra proprio per irraggiamento, i “raggi di calore” per giungere sino a noi attraversano lo spazio interstellare in cui regna il vuoto.

Sulla terra la trasmissione del calore non può avvenire solo per irraggiamento, infatti, generalmente la trasmissione del calore avviene contemporaneamente attraverso i tre fenomeni fisici di Conduzione, Convezione ed Irraggiamento.

L’Irraggiamento, a differenza di Conduzione e Convezione non subisce un attenuazione al diminuire del delta termico o del mezzo che attraversa, ma avviene anche nel vuoto, ed è il fenomeno fisico di trasmissione del calore più veloce, poiché si avviene letteralmente alla velocità della luce.

La trasmissione di calore per irraggiamento tra due corpi inoltre può avvenire anche in presenza di un mezzo di separazione più freddo di entrambi i corpi (a differenza di conduzione e convezione).

Nel 1864 il fisico James Clerk Maxwell fu il primo a teorizzare l’esistenza del fenomeno fisico dell’irraggiamento gettando le basi teoriche della trasmissione del calore per irraggiamento.

Maxwell ipotizzò che le cariche accelerate o correnti elettriche variabili nel tempo producono campi elettrici e campi magnetici in rapido movimento, che prendono la forma di onde chiamate onde elettromagnetiche.

Maxwell ipotizzò poi che queste onde elettromagnetiche rappresentano l’energia emessa dalla materia in conseguenza dei cambiamenti nelle configurazioni elettroniche degli atomi e molecole.

Onda elettromagnetica. I sensori delle termocamere misurano l’energia prodotta dalle onde elettromagnetiche

Ad accertare e dimostrare sperimentalmente l’esistenza delle onde elettromagnetiche fu alcuni anni dopo Heinrich Hertz, che scoprì il legame tra le tre caratteristiche fondamentali delle onde elettromagnetiche:

λ = c / f

con λ la lunghezza d’onda, c la velocità della luce nel mezzo di trasmissione (che è anche il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e l’indice di rifrazione del mezzo), e f la frequenza.

Dalla formula di Hertz si deduce che la frequenza e la lunghezza d’onda sono dunque inversamente proporzionali e che la velocità di propagazione dell’onda elettromagnetica, dipende solo dalla sorgente, indipendentemente dal mezzo in cui si propaga l’onda.

Le onde elettromagnetiche, dette anche radiazione elettromagnetica, hanno la proprietà di trasportare energia durante la loro propagazione, e possono quindi essere considerate come trasportatrici di un insieme di pacchetti discreti di energia (e), chiamati da Max Planck fotoni o quanti, ciascuno caratterizzato da una precisa frequenza λ e dall’energia:

e = hν = hc / λ

dove h è la costante di Planck.

Questa formula permette di desumere che, essendo h e c costanti, l’energia di ogni fotone è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda dell’onda elettromagnetica che lo trasporta, e che quindi una radiazione con lunghezza d’onda più piccola possiede maggiore energia di una a lunghezza d’onda più lunga.

Le onde elettromagnetiche, pur avendo tutte la stessa natura, differiscono nel loro comportamento solo al variare della lunghezza d’onda.

Minore è la lunghezza d’onda maggiore è l’energia trasportata. Contrariamente a quanto si possa pensare trasportano più energia le onde ultraviolette che quelle infrarosse

Le radiazioni elettromagnetiche hanno lunghezze d’onda che variano da meno di 10e-10 μm per i raggi cosmici fino a più di 10e10 μm per le onde elettriche.

La radiazione elettromagnetica che corrisponde alla trasmissione di calore è la radiazione termica emessa a causa dei moti vibratori e rotatori delle molecole, atomi ed elettroni di un oggetto.

La temperatura è una misura dell’intensità dei moti a livello infinitesimale, all’aumentare della temperatura aumenta dunque l’emissione di radiazione termica.

Ogni oggetto che si trova ad una temperatura superiore allo zero assoluto (0° Kelvin, pari a -273.15° Celsius) emette e/o assorbe in continuo radiazione termica.

La dimensione delle onde elettromagnetiche

Nello spettro elettromagnetico, ovvero tra tutte le onde è considerata radiazione termica quella che ha una lunghezza d’onda che va da circa 0.1 a 100 μm,

La radiazione termica include perciò l’intera radiazione visibile ed infrarossa (IR) e parte della radiazione ultravioletta (UV), anche la luce visibile trasporta in se anche calore.