Radiazione, convezione e conduzione sono tre diversi modi in cui il calore può essere trasferito. La convezione e la conduzione richiedono che la materia trasferisca il calore. La radiazione trasferisce il calore attraverso lo spazio sotto forma di energia, come onde. Sebbene questi tre metodi di trasferimento del calore implichino principi diversi, possono essere tutti compresi sulla base della fisica del calore o dell’energia termica.
La materia è costituita da particelle, che interagiscono tra loro per trasferire energia termica. Quando un materiale a temperatura più alta entra in contatto con un materiale a temperatura più bassa, il calore scorre dal materiale più caldo a quello più freddo. Questo processo continuerà fino a quando i due materiali saranno alla stessa temperatura e avranno raggiunto uno stato di equilibrio termico.
Nella conduzione, un pezzo di materia più caldo entra in contatto con un pezzo di materia più freddo e il calore scorre dalla regione più calda a quella più fredda. Il calore viene condotto perché le particelle in rapido movimento della materia più calda trasferiscono energia alle molecole più fredde e più lente della materia più fredda. La capacità di un materiale di condurre il calore dipende dalla sua struttura molecolare e dalla sua consistenza. Ad esempio, i metalli sono migliori conduttori di calore rispetto al legno e i solidi sono migliori conduttori di calore rispetto ai liquidi.
La convezione trasferisce il calore in base a un diverso principio di movimento delle particelle. Quando le particelle possiedono una grande quantità di energia termica, questa energia fa sì che si muovano più velocemente e si diffondano, rendendo il materiale meno denso. Le particelle in una regione più fredda hanno meno energia e si muovono lentamente, portando a una maggiore densità. Nei fluidi e nei gas, questo principio fa sì che le regioni più fredde del materiale scendano verso il basso, mentre le regioni più calde salgano verso l’alto.
Una corrente è formata dalla circolazione di fluido o gas in questo schema. Questa è chiamata corrente di convezione. Nell’atmosfera, ad esempio, l’aria fredda affonda mentre l’aria calda risale, producendo circolazione.
Il terzo metodo di trasferimento del calore, la radiazione, non richiede materia e non dipende dall’interazione delle particelle. Un esempio è la radiazione solare. Il calore del sole raggiunge la terra nonostante viaggi nel vuoto dello spazio. Nel caso della radiazione, l’energia termica esiste sotto forma di onde. È un tipo di radiazione elettromagnetica, come la luce visibile.
Gli atomi assorbono l’energia della radiazione attraverso i loro elettroni, che usano l’energia per spostarsi a un livello superiore all’interno dell’atomo. Questa energia può essere emessa di nuovo quando l’elettrone scende al suo livello originale. La temperatura di un oggetto in presenza di radiazioni dipende da quanta energia assorbe rispetto a quanta emette, quindi un oggetto che assorbe più energia di quanta ne emette aumenterà di temperatura.