Il trasferimento del calore

Fino a questo punto i motori esotermici sono stati presentati e valutati dal punto di vista termodinamico trascurando completamente l'aspetto cinetico relativo al processo di trasferimento del calore.
Il calore si trasferisce spontaneamente da una zona a temperatura più elevata a una zona a temperatura più bassa.
Il gradiente termico, cioè la presenza di una differenza di temperatura, è la condizione necessaria affinchè avvenga un trasferimento spontaneo di calore e il calore si sposta sempre dalla zona a temperatura più alta alla zona a temperatura più bassa.
In assenza di gradiente termico non può avvenire alcun trasferimento spontaneo di calore.

Dal punto di vista del trasferimento di calore i liquidi e i gas hanno un comportamento analogo mentre i solidi sono un caso a parte.
Nei solidi il trasferimento di calore avviene per conduzione e per irraggiamento, nei liquidi e nei gas è possibile anche la convezione.
Esistono due tipologie di convezione: quella naturale e quella forzata.
La convezione naturale è un fenomeno che si manifesta per effetto della forza di gravità: il gas (o il liquido) caldo, più rarefatto quindi più leggero, tende a salire, il gas (o il liquido) freddo, più denso e quindi più pesante, tende a portarsi in basso.
Si parla invece di convezione forzata quando facendo lavoro meccanico dall'esterno si provoca un flusso di materiale (per esempio con una pompa o una ventola).

La convezione è una modalità opzionale per il trasferimento di calore, nel senso che essa può essere o non essere presente.
Mentre è scontato il motivo della presenza o assenza della convezione forzata, potrebbe non esserlo per quella naturale.
La convenzione naturale è assente quando la temperatura aumenta spostandosi dal basso verso l'alto perchè in questa situazione la forza di gravità non ha effetti sulla posizione del fluido.
In assenza di convezione, i liquidi e i gas trasferiscono calore solo per conduzione e irraggiamento e pertanto assumono un comportamento analogo a quello dei solidi.
La possibilità di impedire la convezione rende significativo il confronto della conducibilità termica fra sostanze in qualunque stato fisico.

La potenza termica trasmessa per conduzione è calcolabile con la seguente relazione

P_t = C_t * S * (T_calda - T_fredda) / L

dove

P_t è la potenza termica espressa in [W]
C_t è la conducibilità termica espressa in [W K^-1 m^-1]
S è la sezione o superficie di conduzione espressa in [m²]
T_calda è la temperatura più calda espressa in [K]
T_fredda è la temperatura più fredda espressa in [K]
L è la distanza fra la temperatura calda e la temperatura fredda espressa in [m]

Mentre per i solidi e i liquidi la C_t dipende solo dalla sostanza, nei gas dipende anche dalla pressione.
Per questo motivo per i gas i valori di conducibilità vengono normalmente riferiti alla pressione di 1 atmosfera.
Nel grafico sono riportati i valori di alcune sostanze.

Concludiamo con una considerazione.
L'elio è un fluido utilizzato molto spesso nei motori a combustione esterna perchè rispetto ad altri gas è caratterizzato da una migliore conducibilità (rispetto all'azoto è circa 6 volte più conduttivo).
Ma l'elio confrontato con i metalli riportati nel grafico fa prepotentemente realizzare che è sempre un gas e in quanto tale un buon isolante (l'elio rispetto al rame conduce 2500 volte peggio).
L'unica scappatoia per migliorare lo scambio termico quando si ha a che fare con i gas (e in generale con tutti i fluidi) è lavorare in presenza di convezione (meglio se forzata).