Un gradiente di temperatura è la variazione graduale della temperatura con la distanza. La pendenza del gradiente è coerente all’interno di un materiale. Viene stabilito un gradiente ogni volta che due materiali a temperature diverse sono in contatto fisico l’uno con l’altro. Le unità di misura dei gradienti di temperatura sono gradi per unità di distanza, come °F per pollice o °C per metro.
Molti gradienti di temperatura esistono naturalmente, mentre altri si creano. Il più grande gradiente di temperatura sulla Terra è la Terra stessa. La temperatura del nucleo terrestre è stimata a circa 9,000°F (5,000°C); è 6,650°F (3,700°C) al confine tra il nucleo e il mantello, mentre la temperatura della crosta è di circa 200°F (93°C). Ogni strato ha un gradiente di temperatura di pendenza diversa, a seconda della conduttività termica dello strato.
Non esiste alcun gradiente di temperatura tra la Terra e il sole perché non c’è atmosfera tra di loro. La capacità termica è la capacità di un materiale di trattenere il calore. Un vuoto ha una capacità termica nulla.
La convezione distrugge un gradiente termico. Nel riscaldare una pentola di salsa, il liquido più vicino al fornello diventa il più caldo. Quando viene agitato, il liquido caldo si mescola con il liquido più freddo, il calore viene distribuito uniformemente e il gradiente di temperatura viene annullato.
Se non viene mescolato, il trasferimento di calore convettivo farà salire il liquido caldo e far cadere il freddo, e si verificherà una certa circolazione, anche se non sarà efficace quanto l’agitazione attiva. Nel tempo, le forze di conduzione che trasferiscono il calore dal fondo stabiliranno un equilibrio con le forze convettive che fanno circolare l’acqua. Se la fonte di calore è bassa, la circolazione sarà lenta, potrebbe esserci un forte gradiente di temperatura e la salsa potrebbe bruciarsi sul fondo. Se il calore è alto, la salsa bolle, il trasferimento di calore per convezione sarà elevato e il gradiente di temperatura sarà vicino allo zero.
L’isolamento viene utilizzato per ritardare il trasferimento di calore mettendo materiale a bassa conducibilità termica vicino alla fonte di calore. L’isolamento aiuta a mantenere il gradiente termico tra l’oggetto isolato e le condizioni ambientali. Il caffè rimarrà più caldo in una tazza di schiuma che in una tazza di alluminio perché la schiuma conduce il calore meno facilmente. Allo stesso modo, il bevitore di caffè può scottarsi alcune dita sollevando la tazza di alluminio perché il gradiente termico è vicino allo zero e la temperatura dell’esterno della tazza è quasi la stessa dell’interno della tazza.
Per essere stabile, un gradiente termico deve avere una fonte di calore costante e un dissipatore di calore disponibile. Il mantenimento di gradienti costanti è raramente importante, tranne quando si conducono reazioni chimiche. Molti processi industriali richiedono un attento controllo del calore. La cellula vivente deve anche mantenere un attento controllo del calore per prestazioni ottimali. Mentre gli scienziati capiscono come il corpo umano nel suo insieme mantenga un gradiente di temperatura tra il suo nucleo e il mondo esterno, le opzioni disponibili per le singole cellule sono meno chiare.