Primer Principi de la Termodinàmica i altres conceptes tèrmics

Calor i energia tèrmica

El Primer Principi de la Termodinàmica estableix la conservació de l'energia a nivell d'un sistema: "La suma i resta de les energies intercanviades per un sistema amb el seu entorn és igual al canvi en l'energia emmagatzemada del sistema." És a dir, les energies intercanviades en forma de calor es sumen o resten en funció de que el sistema rebi calor o cedeixi calor, respectivament, i l'energia emmagatzemada pot augmentar (canvi net > 0) o disminuir (canvi net < 0).

Anomenem calor sensible a la calor invertida en un increment, o decrement, de la temperatura del sistema. Anomenem calor latent a la calor invertida en canviar l'estat d'agregació del sistema. La suma d'ambdues és la calor total intercanviada.

Inèrcia tèrmica

El concepte de inèrcia tèrmica té similituds amb el concepte d'inèrcia propi de la Mecànica. Entenem com a inèrcia tèrmica d'un sistema la dificultat que posa a canviar la seva temperatura com a conseqüència d'un canvi en la temperatura del seu entorn.

Hi influeix la rapidesa en que el canvi en la temperatura de l'entorn es tradueix en un intercanvi de calor amb el sistema. En una situació d'oscil·lacions tèrmiques de l'entorn, podem distingir dos efectes de la inèrcia tèrmica del sistema:

1. Retard en la propagació de les oscil·lacions tèrmiques externes.
2. Esmorteïment de les variacions de temperatura.

Radiació tèrmica d'ones e.m.

Qualsevol càrrega elèctrica que sigui accelerada ha d'emetre energia en forma d'ones e.m. Abans hem vist que l'energia tèrmica està associada al moviment aleatori de les partícules constituents de la matèria. Com que aquestes partícules contenen càrregues elèctriques, podem esperar que qualsevol sistema amb energia tèrmica diferent de zero (temperatura major que 0 K) radiarà ones e.m.

Espectre electromagnètic

El conjunt de totes les ones e.m. possibles, caracteritzades cadascuna d'elles per una longitud d'ona, es divideix en diferents bandes espectrals. Al conjunt d'aquestes bandes espectrals se li diu espectre electromagnètic. Les bandes més rellevants per la transferència de calor són:

• Visible, amb longituds d'ona compreses a l'interval [400 nm: 750 nm].
• Infraroig (IR), amb longituds d'ona superiors, dins de l'interval [750 nm: 100 μm].
• Ultraviolat (UV), amb longituds d'ona inferiors a les anteriors, i dins de l'interval [1 nm: 400 nm].

Model ideal de radiador tèrmic: el cos negre

Les propietats de diferents tipus de superfícies es defineixen amb referència a un model ideal de radiador tèrmic, anomenat cos negre. Un cos negre es defineix com un sistema que absorbeix tota la radiació e.m. que incideix sobre ell.

Efecte hivernacle

Un hivernacle és una estructura tancada per superfícies de vidre o plàstic transparent com, per exemple, el policarbonat. Tots dos són gairebé perfectament transparents a la radiació de longituds d'ona visible i NIR, però gairebé perfectament opacs a radiació de longituds d'ona superior. En conseqüència, la radiació solar penetra sense gaires pèrdues aquestes cobertes.

Cambres d'aire

Una cambra d'aire és un volum ple d'aire i limitat per dues superfícies sòlides, que s'acostuma a trobar a l'interior d'un tancament. En qualsevol cas, les dues superfícies límits de la cambra d'aire es poden trobar a temperatures diferents, el que origina un flux de calor entre elles, a través de la cambra.

En el cas de les cambres d'aire en finestres dobles, el gruix acostuma a ser inferior a 1 cm.