Assorbimento, emissione di energia ed equilibrio termico

Un corpo immesso in un ambiente chiuso a temperatura T maggiore della temperatura del corpo riceve una certa quantità di energia radiante (lasciamo da parte per il momento la conduzione e la convezione) che ne eleva la temperatura.

Il corpo (come tutti i corpi), oltre a essere un assorbitore è anche un emettitore, emette energia radiante in quantità sempre più alta man mano che la sua temperatura aumenta, fin quando la quantità di energia emessa eguaglia quella assorbita e questo avviene quando la temperatura del corpo ha raggiunto la temperatura dell'ambiente.

Allora, se supponiamo che in una stanza a temperatura T si introducono 2 termometri A e B ricoperti in questo modo: A (con tessuto nero) e B (con tessuto bianco), vorrei sapere se il termometro ricoperto di nero arriva a una temperatura uguale a quella dell'ambiente e se questo si verifica anche per quello coperto di bianco. Il termometro nero arriva a una temperatura ambiente in un tempo più breve di quello coperto di bianco?

Due persone vestite di nero e di bianco (esposti al sole) sono assimilabili ai due termometri dell'esempio oppure intervengono ulteriori fattori che rendono completamente diversa la situazione?

Maurizio Melchiorre
5 maggio 2003

Immagino che l'estensore della domanda intenda che la stanza sia isolata, per esempio composta da un contenitore avente pareti rigide e adiabatiche, che contenga un secondo contenitore, per esempio metallico, inizialmente riscaldato a temperatura Tp, all'interno del quale si sia prodotto un vuoto spinto, in modo da poter trascurare la conduzione e la convezione in aria. Allora se all'interno del secondo contenitore vengono posti i due termometri, inizialmente alla temperatura Tt, che quindi possono scambiare energia tra loro e con le pareti solo per irraggiamento, il secondo principio ci garantisce che possono avvenire solo quei processi che procedono verso l'equilibrio che si avrà a una temperatura intermedia tra Tp e Tt.

Poiché il termometro foderato di bianco assorbirà una frazione dell'energia incidente minore di quella assorbita dal termometro foderato di nero, la sua temperatura varierà più lentamente.

La seconda domanda ha poco a che vedere con líintroduzione precedente, infatti il caso proposto assomiglia alla situazione Sole-Terra, in cui il Sole irraggia proporzionalmente alla quarta potenza della sua temperatura assoluta, e due oggetti (supposti eguali ma uno bianco e uno nero) ricevono una quantità di energia proporzionale all'area esposta (eguale per ambedue) ed emettono proporzionalmente alla quarta potenza della loro temperatura assoluta. Si equilibrano a quella temperatura, per cui emettono verso lo spazio tutta l'energia assorbita. Poiché l'oggetto bianco dovrà emettere con potenza inferiore, anche la sua temperatura finale sarà inferiore rispetto a quella dell'oggetto nero.

Il fatto che invece di oggetti inanimati, si tratti di persone, cioè animali a sangue caldo, complica il problema, a causa del fenomeno dell'omeostasi; cioè del fenomeno per cui un animale a sangue caldo riesce, mettendo in atto tutta una serie di meccanismi, a mantenere costante la propria temperatura (per esempio mediante la sudorazione quando la temperatura esterna é maggiore della sua temperatura o mediante la combustione di grassi quando la temperatura esterna é inferiore alla propria).

Perciò, in questo caso, la parte interna dei vestiti (supposti aderenti) si troverà a una temperatura vicina ai 37°C mentre la parte esterna di quello nero si stabilizzerà a una temperatura superiore a quella del vestito bianco.

Perciò la persona col vestito nero riceverà un flusso di energia entrante superiore a quello ricevuto da quella vestita di bianco e faticherà di più per mantenere costante la propria temperatura, il che, nel linguaggio comune, si esprime dicendo che sente più caldo.

Giulio Calvelli Dipartimento di Fisica "Galileo Galilei", Università di Padova
Laura Maria Raimondi

Laura Maria Raimondi

Laureata in Chimica e con un dottorato in Scienze Chimiche, Laura Maria Raimondi insegna e svolge ricerche presso la Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali dell'Università di Milano. Attualmente si occupa di modellistica molecolare, vale a dire della simulazione, con metodi computazionali, della struttura e del comportamento dinamico di molecole organiche e di biomolecole, nonché della loro reattività.


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