Analogia elettrica della conduzione termica
La conduzione termica nei solidi è per molti versi simile alla conduzione elettrica dei conduttori. In un conduttore, il flusso di elettricità è guidato da una differenza di potenziale, così come il flusso termico è guidato da una differenza di temperatura. Nella conduzione elettrica, la scarica elettrica viene trasportata da un punto in un conduttore ad un altro dal movimento degli elettroni. Nella conduzione termica, il calore viene trasportato da un punto di un solido ad un altro dalla vibrazione delle molecole del solido dovute all'incremento di energia.
La conduzione termica è regolata dalla Legge di Fourier che afferma: la velocità di trasferimento termico (Q) tra due punti sufficientemente vicini in un mezzo è proporzionale alla differenza di temperatura tra i due punti (T1-T2) divisa per il valore della loro separazione (Dx) e l'area normale alla direzione del flusso termico (A). La costante di proporzionalità si chiama Coefficiente di conducibilità termica del materiale (k). Dal punto di vista matematico, questo teorema può essere scritto nel seguente modo:
Q = bsp;k A ( T1 - T2 )/Dx
dove Q è la velocità del trasferimento termico in watt.
Il flusso della corrente elettrica è disciplinato dalla legge di Ohm, che stabilisce che il flusso della corrente elettrica (I) tra due punti in un conduttore è uguale alla differenza di potenziale tra di essi (V1-V2) diviso la resistenza elettrica (R). La legge di Ohm può essere scritta nel seguente modo:
I = ( V1- V2 )/R
Queste equazioni suggeriscono la veridicità della seguente analogia:
|
Conduzione termica
|
Conduzione elettrica
|
|
Velocità del flusso di calore: Q
|
Corrente elettrica: I
|
|
Differenza di temperatura: bsp;DT = T1 - T2
|
Differenza di potenziale: bsp;DV = V1 - V2
|
|
Resistenza termica: Rthermal = Dx/(kA)
|
Resistenza elettrica = R
|
La figura seguente mostra l'analogia tra i due fenomeni:
