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Titolo: Calore nel vuoto

 energia termica.
Il trasferimento di calore e' un particolare modo in cui due
corpi scambiano energia. Che questo scambio avvenga tramite urti
molecolari (conduzione, convezione) o tramite il campo
elettromagnetico (irraggiamento) poco importa. Inoltre perche'
dici che l'energia irraggiata 'si trasforma in energia termica'?
Il campo elettromagnetico puo' benissimo possedere energia
termica per conto suo.
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Enrico Smargiassi
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 termica per conto suo.
Un motivo per cui ho tardato a rispondere alla domanda e' che in un
primo tempo avrei risposto come ES, ma pensandoci meglio non ne sono
piu' tanto convinto.
Avrei detto:
"Se concentri la luce solare in un forno, potrai ottenere una
temperatura elevatissima, ma mai oltre quella della fotosfera solare
(quasi 6000 K). Come vedi, tutto va come se si stesse trasmettendo
calore da una sorgente a 6000 K (sul Sole) a un ambiente piu' freddo (la
Terra)."
Pero' poi mi sono venuti dei dubbi.
1) La radiazione che riceviamo dal Sole e' direzionale, non e' una rad.
di corpo nero, che deve essere isotropa. Dunque non e' una radiazione in
equilibrio termico.
2) Il metodo del forno puo' non essere il piu' efficiente per sfruttare
questa radiazione: non sfrutta il parziale ordine insito nella
direzionalita' della radiazione.
3) Come si potrebbe fare? Esempio: una ruota a palette riflettenti,
messa in moto dalla pressione della radiazione. Al limite di palette
relativistiche, l'efficienza e' prossima a 1: si riesce a convertire
quasi tutta l'energia della radiazione solare in energia cinetica della
ruota.
4) Se la radiazione solare fosse assimilabile a calore, questo sarebbe
impossibile, quindi...
Sono sconcertato, se considerate che la prima volta che ho insegnato la
teoria della radiazione nera e' stato in un corso di Fisica Superiore,
nel 56-57...
O sono rimbambito, o e' proprio vero che non si finisce mai d'imparare
;-)
-- 
Elio Fabri
Dip. di Fisica - Univ. di Pisa
Sez. Astronomia e Astrofisica

Elio Fabri wrote:
a> Avrei detto:
a> "Se concentri la luce solare in un forno, potrai ottenere una
a> temperatura elevatissima, ma mai oltre quella della fotosfera solare
a> (quasi 6000 K). Come vedi, tutto va come se si stesse trasmettendo
a> calore da una sorgente a 6000 K (sul Sole) a un ambiente piu'
freddo (la
a> Terra)." ...
a> Pero' poi mi sono venuti dei dubbi.
a> 1) La radiazione che riceviamo dal Sole e' direzionale, non e'
una rad.
a> di corpo nero, che deve essere isotropa. Dunque non e' una
radiazione in
a> equilibrio termico.
La prima frase, a causa della parola "concentrare", e' fuorviante.
D'accordo che la radiazione non e' in equilibrio termico, tuttavia
lo spettro segue piu' o meno uno spettro di corpo nero a temperatura
6000 gradi, quindi esiste una coda di fotoni di energia alta a piacere.
Se trascuro l'assorbimento dell'atmosfera e per concentrare la luce
solare nel forno uso, anziche' specchi di vetro alluminato, dei
cristalli di quarzo curvi (magari grandi come campi di calcio!), nel
forno posso ottenere anche decine di milioni di gradi.
Ciao
Mario Leigheb

 equilibrio termico.
Vero, ma la domanda originale non parlava della radiazione solare
(a parte il riferimento un po' ambiguo all'atmosfera terrestre).
Io l'ho interpretata come se chiedesse se e' possibile parlare di
calore anche nel caso dell'irraggiamento ed a questa domanda la
risposta e' sicuramente si'.


 
Perche' ?
In questo modo potresti convertire in energia cinetica con alta
efficienza anche 
l' energia cinetica delle molecole di un gas, facendo un forellino sul
recipiente.
Ma questo discorso non c' entra. La questione non e' quella di come
convertire il lavoro in modo efficiente il calore scambiato tra due
sistemi. Ma se il trasferimento di energia va visto come scambio di
calore o no.
Perche' ritengo che la risposta e' si ? 
Ragioniamo dal punto di vista della termodinamica. Cosa e' il calore ?
Operativamente potrei dire "tutti gli scambi energetici che non siano
lavoro". E il lavoro ? Beh, ce ne sono di tanti tipi (meccanico,
elettromagnetico, chimico....). Ma sono tutti esplicitamente
caratterizzabili mediante la variazione di opportune variabili
macroscopiche ( P/V, sforzo/deformazione, superficie/tensione
superficiale, campo e.m./polarizzazioni, potenziali chimici/frazioni
molari ....).
Come faccio a sapere se uno scambio energetico relativo ad un gas
corrisponde a scambi di calore ? Controllo se in una trasformazione
reversibile NON sono cambiate le coppie P/V e N/mu del sistema ma c'e'
stato comunque un trasferimento di energia direi che va chiamato calore.
Per la termodinamica la radiazione di corpo nero assomiglia ad un gas.
Non e' esattamente equivalente perche' non c'e' la coppia pot
chimico/numero di moli. Ma il lavoro macroscopico che posso fare o far
fare alla radiazione della cavita' *lasciandola nella cavita'* e' quello
"meccanico" controllabile mediante il volume. Non vedo altri modi a
livello macroscopico. Se faccio il foro, e' vero che posso ottenere
lavoro meccanico macroscopico ma non sto agendo sul volume. In realta',
esattamente come per il caso di un gas, sto scambiando energia agendo
sulla differenza di temperatura tra sistema ad ambiente.
E quello che scambio in questo caso e' calore).
Mi rendo conto di non essere stato il massimo della chiarezza, ma, alla
terza riscrittura di questo mail ( e al decimo dubbio di MIO
rimbambimento :-)), penso sia megli mandarlo cosi'.
Giorgio

;-)
Non si finisce mai di imparare: su questo non ci piove!
Per quanto mi riguarda, ho imparato di piu' sulla radiazione di corpo nero
da una ragazzina che non amava la fisica, anziche' da suo padre, uno dei
piu' noti fisici teorici italiani!
Ma non voglio divagare con aneddoti personali.
Nella sua interpretazione generale, direi che la TD sia da considerarsi come 
una teoria assiomatica. In essa il *calore* viene definito subito dopo
la formulazione preliminare del primo principio per sistemi *adiabatici*, 
essenzialmente quale termine necessario a pareggiare il bilancio energetico
in sistemi *non adiabatici*.
L'interpretazione fenomenologica dello schema assiomatico offre una certa
liberta' di scelta. Ad es., l'aumento di energia interna dell'acqua in un
calorimetro nel quale sia in funzione un resistore ad immersione, puo' essere
attribuito indifferentemente al *lavoro* elettrico fornito al sistema o al
*calore* ceduto ad esso per effetto Joule. 
Ma per quanto riguarda l'irraggiamento, l'interpretazione del linguaggio
assiomatico non e' altrettanto flessibile: direi che lo schema teorico obblighi
a chiamare *calore* l'energia assorbita od emessa per via radiante.
Sorvolando sulle difficolta' tecniche, indubbiamente il calore prodotto dal 
sole (sorgente a 6000K), puo' essere convertito in lavoro meccanico con alta
efficienza o puo' essere usato per innalzare a temperature ben superiori un
oggetto-bersaglio. Ma cio' *non* contraddice il secondo principio della TD.
Mi rendo conto che questa tesi merita un'ulteriore discussione, ma ho appena
cambiato tutto il mio software di comunicazione e non so ancora se riusciro'
ad agganciare correttamente il thread. Se il dibattito dovesse continuare,
non manchero' di intervenire.
Elio Proietti 

 Mi rendo conto che questa tesi merita un'ulteriore discussione ...
Infatti non la capisco proprio...
Prendi la cavita', racchiusa in un ambiente a T costante, a parte il
forellino (dotato pure di collimatore, per maggior efficienza).
Raccogli la radiazione emessa con la macchina a palette, che converte
l'energia della rad. in lavoro meccanico.
Non sto trasformando in lavoro il calore assorbito da una sola sorgente?


 
Questo e' falso. Se operassi un ciclo di carnot tra T finita e T=0
avresti efficienza 1.
Il foro del c. nero che emette soltanto e non riceve radiazione
assomiglia ad un sistema a contatto con un serbatoio a T=0.
Giorgio

 impossibile, quindi...
<cut>
non so se ho compreso bene il funzionamento di questa ideale ruota a
palette riflettenti, mi sembra pero' che il lato della paletta opposto a
quello su cui agisce la radiazione solare debba inevitabilmente urtare
 la radiazione termica dell'ambiente in cui si trova la ruota, e se la
paletta
si muove con velocita' relativistica, vedrà una radiazione la cui intensità
sara' amplificata dall'effetto doppler, e sarà soggetta ad una grande forza
resistente, e il rendimento non potra' essere arbitrariamente vicino ad 1.
L'unico caso in cui il rendimento puo' essere arbitrariamente vicino ad 1
e' quello in cui la temperatura dell'ambiente e' 0 K, in accordo
con la formulazione di Carnot del secondo principio della termodinamica,
che stabilisce il massimo rendimento di una macchina termica che operi
tra due sorgenti di calore a temperatura fissata.
Giorgio Bibbiani

Sez. Astronomia e Astrofisica
La discussione riguarda il concetto di calore e l'applicabilita' del secondo
principio, investe dunque i fondamenti stessi della TD.
Ma qui provo solo a discutere il mulinello relativistico.
La questione della riflessione della luce su uno specchio in moto e del
relativo effetto Doppler e' connessa alla deduzione storica della legge
dello spostamento di Wien ed anche alla confutazione sperimentale di alcuni
tipi di teorie emissive alternative alla RR.
Mi pare che un'analisi piu' semplice ed attendibile del fenomeno si possa
fare studiando l'urto elastico tra un fotone ed una paletta riflettente
dotata di velocita' u, con un calcolo che ricorda vagamente la teoria
dell'effetto Compton.
Tra l'energia meccanica ricevuta dalla paletta e l'impulso trasmesso ad essa
sussiste la relazione:
dE = u dp
e quindi indicando con (p,E) il fotone incidente e con (p*,E*) il fotone
riflesso, deve essere:
dE = E - E* = u (p + p*)
donde si trae subito la frequenza Doppler della luce riflessa:
f* = f (1 - u/c)/(1 + u/c)
nonche' l'energia meccanica relativa assorbita dalla paletta:
dE/E = (2u/c)/(1 + u/c)
Poiche' questo risultato non dipende dalla frequenza del fotone, concludo
che il mulinello e' una macchina ciclica di rendimento:
L/Q1 = (2u/c)/(1 + u/c)
ove Q1 e' il *calore* ricevuto dal termostato esterno a temperatura T1
(radiazione collimata uscente dal foro della cavita'), mentre L e' il lavoro
fornito dal sistema all'esterno tramite l'albero di rotazione.
Ma vi e' anche una quantita' di *calore* Q2 restituita all'esterno per
riflessione, caratterizzata da una distribuzione spettrale di frequenze
minori di quella incidente, ossia piu' fredda, come richiesto dal secondo
principio. 
Non ho potuto controllare con calma, ma poiche' nella distribuzione della
radiazione di corpo nero la temperatura figura nel rapporto f/T, a prima
vista mi sembra addirittura che possa risultare:
L/Q1 = 1 - T2/T1
come ci si dovrebbe attendere dal rendimento di un ciclo reversibile! 
In effetti si potrebbe fare lavorare il gingillo contromano ed innalzare la
temperatura della radiazione... 
Qui pero' sto improvvisato troppo, spero che non mi sia sfuggito qualche
madornale strafalcione. Sento il fascino delle tesi eretiche e mi aspetto di
finire al rogo. 
Vorrei aggiungere che sarei comunque alquanto riluttante a privare dello
*status di calore* l'irraggiamento, se questo o altri marchingegni violassero
il secondo principio della TD. Adottando questa logica si rischia di
attribuire alla TD preoccupanti connotati metafisici, rendendo il secondo
principio potenzialmente non falsificabile.
Elio Proietti