Vorrei comprendere meglio gli scambi d’energia che competono un corpo che viaggia nell’atmosfera. L’esempio figurativo di un meteorite rende bene l’idea, ma gli stessi concetti sono applicabili, ad esempio, ad un razzo o a un velivolo che viaggi velocemente attraverso l’aria.
Il meteorite, viaggiando nell’atmosfera, sarà soggetto alla resistenza aerodinamica. Significa che il corpo trasferisce energia cinetica alle particelle circostanti, riducendo così la propria. Fino a qui ci siamo. C’è però una terza forma di energia in gioco, ossia il calore. Sappiamo che un meteorite che entri nell’atmosfera sarà sottoposto ad un riscaldamento a causa dell’attrito tra superficie ed aria. Analizziamo meglio questo fenomeno. La temperatura è dovuta all’agitazione termica delle particelle che costituiscono i corpi. Quando sfreghiamo le nostre mani, le particelle superficiali si urtano a vicenda, accentuando il moto oscillatorio degli atomi e causando un innalzamento della temperatura. Ma nel nostro caso è il meteorite ad urtare, mentre l’aria sta ferma. La porzione di energia termica che si sviluppa sulla superficie del meteorite dev’essere uguale ad un’altra certa porzione di energia cinetica dissipata. Qui mi blocco. Come avviene questo scambio di energia? L’urto con l’aria provoca una perdita di energia cinetica per trasferimento della stessa, e un altra per aumento di temperatura? In questi termini non potremmo aspettarci solamente un trasferimento di energia cinetica dovuto all’urto? Cosa avviene microscopicamente per trasformare energia cinetica in termica?
Attrito… Prova a sfregare un dito su una superficie liscia e dimmi se l energia cinetica di trasforma in calore o no… E considera che la superficie sta ferma ed il dito si muove…
Anche le superfici degli aerei supersonici si arroventano, è uno dei problemi che si ha con questi, il metallo si dilata e cambia forma, bisogna lasciare degli spazi appositi per evitare che si deformi o peggio che si spacchi…
Se vuoi ti impresto i libri dell esame di aerotermodinamica del rientro atmosferico
Che l’energia cinetica si trasformi in energia termica non mi lascia perplessità, per questo ho posto l’esempio delle mani. Mi interessa piuttosto visualizzare il fenomeno in termini microscopici. Mi è facile immaginare come l’oggetto in questione trasferisca parte della propria energia cinetica alle particelle circostanti. Mi riesce altrettanto visualizzare un blocco di massa che scorre su un piano: le asperità microscopiche delle due superfici impatteranno, il blocco rallenta e le particelle del piano possono invece solo oscillare → aumento di temperatura. Mi resta più arduo invece visualizzare come le particelle della superficie del meteorite perdano energia cinetica non per trasferimento, ma per trasformazione in energia termica. Consideriamo una porzione di superficie: le particelle di aria che verranno impattate acquisteranno energia cinetica, di contro cosa accade alle particelle del meteorite oltre a rallentare l’intero oggetto? L’energia termica che nasce deve derivare da energia cinetica, che le particelle di aria non hanno. Quindi il meteorite a causa della sua velocità subisce impatti con l’aria che fanno oscillare gli atomi superficiali ( sto trascurando lo strato limite, e forse è un’approssimazione ragguardevole ). Come distinguiamo però l’energia cinetica che viene trasferita all’aria (rallentando il corpo) e quella che si tramuta in termica? Qui mi è ostico capire bene. Microscopicamente cosa accade durante questi urti per determinare la trasformazione diretta “energia cinetica meteorite” —> “energia termica meteorite”?
Provo a buttarla lì… gli urti delle particelle gassose contro il corpo solido sono parzialmente anelastici, ogni urto trasferisce energia meccanica facendo vibrare le molecole del corpo stesso. L’aumento di vibrazione (casuale) è il calore che si sviluppa. Lì hai la transizione fra il fenomeno microscopico (urto) e quello statistico (calore).
La cosa interessante nella gas-termo-dinamica del volo ipersonico è che l’energia è talmente alta che spacca il legame tra gli atomi nelle molecole dell’aria. Quindi non è vero che tutta l’energia va solo in energia cinetica e in calore, una parte dell’energia viene immagazzinata in forma di energia chimica. E questo in effetti aiuta a tenere la temperatura un po’ più bassa
La velocità del meteorite ne determina l’energia cinetica. Di conseguenza, nella fase di impatto con le particelle di aria, queste “affonderanno” nel materiale con una profondità che sarà proporzionale all’energia cinetica del meteorite. Questo perchè maggiore sarà la velocità del metorite, e meno tempo avranno le particelle di aria per “andarsene” a seguito dell’urto (ricordo che l’urto è un’utopia, a livello atomico vi è repulsione ma mai un vero contatto). Quindi, l’energia cinetica viene trasferita alle particelle di aria. Mentre queste all’inizio affondano nella superficie, a causa dell forza di Coloumb provocano un ecceitazione degli atomi circostanti (quelli del meteorite) i quali quindi emettono fotoni. Dunque l’intensità dell’urto provoca oscillazioni → proporzionale emissione di fotoni. I fotoni irradiano energia facendo tornare gli atomi alle oscillazioni di origine (se non sollecitati nuovamente). Quindi penso che il legame con l’energia cinetica stia nella quantità di calore emesso, ma non sia un bilancio energetico del tipo “meno energia cinetica → più energia termica”. In altre parole è la forza di Coloumb a determinare l’aumento di temperatura.
Non so se ho capito bene qual’è il punto della questione…il meccanismo fisico è stato già detto per quanto riguarda l’aspetto microscopico: sono semplicemente urti tra atomi (non importa se è l’aria ad andare in faccia al meteorite fermo o il meteorite che si muove rispetto l’aria…la sostanza non cambia), gli atomi, le molecole si eccitano a valle degli urti, si hanno transazioni a stati energetici più elevati e poi man mano che gli atomi tornano randomicamente a configurazioni energetiche standard si ha emissione di energia sottoforma di radiazione con frequenza in qualche modo proporzionale al “salto energetico” dei vari elettroni della materia etc. Così ad esempio quando tali scontri sono più energetici tanto più grandi i salti di configurazione degli atomi e tanto più elevata la frequenza della radiazione emessa (e quindi dall’infrarosso l’emissione passa ad esempio nel visibile e vedrai il meteorite infuocato ). Altro e più complesso é il discorso relativo al bilancio energetico a cui anche se ho capito bene si accennava; oltre le cose già dette credo che stiamo tralasciando il fatto che l’energia del meteorite non è solo cinetica: l’energia meccanica (energia totale se vogliamo) è somma della cinetica e della gravitazionale: man mano che " scende " di quota è vero che il meteorite è frenato dall’attrito dell’atmosfera ma è pur vero che in linea di principio la perdita di en.gravitazionale (quota più bassa) comporta cmq un aumento di quella cinetica, quindi il discorso del rallentamento dovuto all’aria non è così semplice e immediato (e quindi il ridurre il discorso del bilancio al solo scambio di en.cinetica etc. ), tra le altre cose poi andrebbe considerato che la densità atmosferica aumenta esponenzialmente con il diminuire della quota (maggiore attrito, maggior drag, maggior scambio di energia) e che il meteorite diminuisce anche man mano la sua massa a causa dello “sbriciolamento” e quindi meno area su cui tale particelle fanno attrito…insomma il discorso è piuttosto contorto XD
Spero di non aver detto tante boiate, sono giustificato dall’orario e dal fatto che sia venerdì sera
Columbus, la fai troppo complicata, secondo me. Certo che fra gli atomi che vengono pressati uno contro l’altro c’è repulsione per la forza di Coulomb, questo è ovvio. Ma non so se proprio lì vengano emessi fotoni, o se venga prima l’eccitazione meccanica (fononi) che riscalda il materiale, il quale poi emette fotoni. Io sarei per la seconda. Faccendo di lana caprina, non ne so abbastanza per quantificare una risposta. Certo che alla fine la vedi come resistenza aerodinamica, e relativa produzione di calore.
Una (forse) semplificazione: dò una martellata ad un pezzo di metallo. Metallo e martello si scaldano. Lo fanno all’interfaccia della prima molecola, o dissipano l’onda d’urto nel materiale? Per me è la seconda, se la dissipazione fosse per produzione di fotoni temici all’interfaccia vedrei prima un lampo di radiazione (IR?), poi questo riscalderebbe il resto. Ma non mi sembra sia così. Sostituisci “molecola” a “martello” e la situazione dovrebbe essere simile. My 2 (euro) cents…
Sfrutto questo esempio per spiegare meglio quale punto mi preme. Quando il martello ( che ha energia cinetica ) urta il metallo, trasferisce energia alla superficie, che vibra. Quindi tale superficie si scalda. Perfetto! Però, anche la superficie del martello vibra ed emette calore. In genere vediamo il blocco “a” che traferisce energia cinetica al blocco “b”, il blocco “a” rallenta e il blocco “b” accelera. Punto. Qui invece abbiamo che anche il blocco “a” (martello) vibra ed emette calore. L’energia termica deve derivare da un’altra forma, però… sono daccordo che nell’esempio del meteorite le forme di energia siano molteplici, ma credo che questo esempio basti a racchiudere la sostanza. A questo punto, ricordiamo che il martello è il meteorite. Ora, il mio problema è capire come a livello microscopico l’energia cinetica non sia semplicemente trasmessa alla superficie metallica (l’aria), ma in parte si “converte” in vibrazione delle particelle del martello. Questo è il bilancio energetico che cercavo.
Urto visto dal metallo —> Energia cinetica ricevuta dal martello —> vibrazione metallo —> calore [OK!]
Urto visto dal martello —> Energia cinetica trasmessa al metallo ----> vibrazione martello [ da quale forma di energia, se la cinetica è stata trasmessa al metallo?]
Nel caso del metallo è possibile immaginare che un fenomeno di compressione e successiva estensione, tipo la molla, resituisce al martello parte della cinetica sotto forma di onde perturbative. Qui la metafora cade un pò. Nell’esempio originale ad essere urtata non era una superficie metallica, bensì l’aria.
Per me non cambia nulla. Hai due insiemi di particelle, il cui stato (fluido o solido) non mi interessa. Li fai urtare, interagire, come vuoi. L’interazione propaga onde di compressione nell’insieme, e aumenta la velocità media delle particelle (se sono solide, vibreranno di più, senza rompere i vincoli, finchè si liquefarà il solido). Così aumenti il disordine del sistema, e questo è calore.
Se mandi un getto di gas in un altro gas, ignorando il raffreddamento per espansione , inietti energia cinetica nel sistema. Alla fine questa va in calore, quindi può solo essere una questione di urti che aumentano l’agitazione. A livello microscopico gli urti sono perfettamente elastici, ma alla fine (statisticamente) diventano maggiore agitazione del sistema, aumentando la velocità media delle particelle. Non credo sia necessario invocare l’emissione di fotoni, a questo stadio.
aggiunta: stavo pensando che lo stesso vale nel caso banale che rimesti un fluido (vedi calorimetro e mulinello di Joule)
Quindi possiamo aspettarci che parte della cinetica trasmessa all’aria torni indietro alla superficie del metorite, agitandone le molecole? Io pensavo che questo non funzionasse, immaginando che gli urti sequenziali delle particelle d’aria fossero diretti solamente verso “l’esterno”, senza tornare addietro. Ma magari mi sto sbagliando…
Non è l’energia trasmessa all’aria che torna indietro. Immagina l’aria in movimento, e il corpo fermo; il corpo non trasferisce un bel niente di energia cinetica, è l’aria che la perde per attrito. Non ci sono alcun “interno” ed “esterno”, è un dato non essenziale. E’ la differenza di velocità che, all’interfaccia, agita le molecole a causa di urti successivi, elastici, mediati dalla repulsione di Coulomb. Per me la cosa è perfettamente simmetrica, l’urto trasferisce energia nei due sensi, azione-reazione; il mulinello di Joule compie lavoro, è rallentato dall’attrito del fluido, che per attrito si scalda. Che si muovano le palette o il fluido non è importante. Tutti e due i corpi, solido e gassoso, subiscono la stessa sollecitazione. In tutti e due si verifica un aumento di agitazione termica dovuta agli urti all’interfaccia. Poi interviene il meccanismo di trasporto di calore, e a grande scala i due corpi assumeranno temperature e comportamenti diversi, ionizzandosi, radiando, fondendo, ecc ecc.
Stavo riflettendo sul fatto che fino ad ora è stato omesso il possibile contributo dell’energia potenziale elastica. Mi spiego meglio. Non è che io sia in disaccordo con quello che hai scritto, ma penso che debba esserci un intramezzo tra l’urto e l’agitazione termica delle particelle. L’urto elastico, che citavi, applicato ad esempio a due masse uguali, vede la prima trasferire tutta l’energia alla seconda, fermandosi. In tutto questo non c’è spazio per agitazione termica (che deve originarsi da ulteriore energia). Al contrario, se consideriamo il fenomeno di compressione della superficie durante l’urto, ecco che abbiamo un trasferimento di energia cinetica ed anche una compressione superficiale. Abbiamo quindi una particella d’aria che prende velocità ed in più una superficie che si estende oscillando (dissipazione per produzione di calore). Questo aspetto mi riesce vederlo anche per il caso in cui il meteorite sia fermo e l’aria si muove, corentemente a quanto dicevi.
Mi dispiace, Columbus, mi fermo qui. Per la mia anima ingegneristica la mia spiegazione mi soddisfa. Ricordo per per un ingegnere per tre punti passa sempre una retta, basta che sia sufficentemente spessa.
Io credo che il problema qui sia nella convinzione di voler comprendere “intuitivamente” qualcosa che non è propriamente banale, quando si scende nel dettaglio come vuoi fare tu.
Vuoi provare a descrivere un fenomeno con termini intuitivi (formuli una ipotesi) e vuoi verificare questa formulazione chiedendo a qualcuno. Ma credo che la soluzione di Acris sia quella giusta: dovresti guardare una trattazione rigorosa del fenomeno, se è tua intenzione capirlo così a fondo. Se no si tira ad indovinare
Sentiti libero di condividere quello che trovi con noi.
Attenzione! Un meteorite non si scalda per attrito! È un altro fenomeno. Dal Saggiatore si apprende che Galileo Galilei si rifiutava di credere che le comete fossero corpi che si scaldano attraversando l’atmosfera. Fece notare infatti che oggetti fatti viaggiare velocemente attraverso l’aria si raffreddano, non si scaldano (in barba a quella famosa diceria secondo la quale i greci cucinavano le uova facendole roteare in una fionda).
Il fenomeno che fa scaldare meteoriti, capsule e spazioplani è la compressione dell’aria sottostante. L’attrito non c’entra. Non mi dilungo nei dettagli anche perché ne avevo già parlato da qualche parte nel forum.
Ho letto nei post precedenti di energia cinetica, di come si trasferisce il calore e di fenomeni di attrito, tutto più o meno pertinente con l’argomento principale, ma nessuno secondo me ha centrato il problema.
L’attore principale in questo ambito è infatti la temperatura come conseguenza della velocità media delle molecole di un gas.
Nella nostra atmosfera a temperatura ambiente, intorno a 300K e con una massa molecolare di circa 28, la velocità media delle molecole è intorno ai 500 m/s. A questa velocità media delle molecole insomma corrispondono una trentina di gradi centigradi di temperatura.
Ad una velocità media delle molecole di circa un chilometro al secondo, la temperatura si avvicina a 1.000 gradi centigradi.
Un oggetto che viaggia in atmosfera ad oltre 10 km/s, ovviamente viene investito dalle molecole d’aria ad una velocità media appunto di 10 km/s, che corrispondono ad un range di temperature in cui l’aria passa abbondantemente allo stato di plasma.
). Altro e più complesso é il discorso relativo al bilancio energetico a cui anche se ho capito bene si accennava; oltre le cose già dette credo che stiamo tralasciando il fatto che l’energia del meteorite non è solo cinetica: l’energia meccanica (energia totale se vogliamo) è somma della cinetica e della gravitazionale: man mano che " scende " di quota è vero che il meteorite è frenato dall’attrito dell’atmosfera ma è pur vero che in linea di principio la perdita di en.gravitazionale (quota più bassa) comporta cmq un aumento di quella cinetica, quindi il discorso del rallentamento dovuto all’aria non è così semplice e immediato (e quindi il ridurre il discorso del bilancio al solo scambio di en.cinetica etc. ), tra le altre cose poi andrebbe considerato che la densità atmosferica aumenta esponenzialmente con il diminuire della quota (maggiore attrito, maggior drag, maggior scambio di energia) e che il meteorite diminuisce anche man mano la sua massa a causa dello “sbriciolamento” e quindi meno area su cui tale particelle fanno attrito…insomma il discorso è piuttosto contorto XD
