Prima di tutto, dovremmo sapere che il trasferimento di calore è causato dalla differenza di temperatura all'interno o tra gli oggetti. Se non c'è un ingresso di potenza esterno, secondo la seconda legge della termodinamica, il calore viene sempre trasferito automaticamente da un luogo ad alta temperatura a un luogo con una temperatura inferiore.
Esistono tre modi fondamentali di trasferimento del calore: conduzione del calore, convezione termica e radiazione termica. I tre metodi di trasferimento del calore sono introdotti di seguito.
(1) Conduzione termica
Quando non c'è uno spostamento relativo tra le varie parti dell'oggetto, il trasferimento di energia termica generato dal moto termico di molecole, atomi ed elettroni liberi e altre particelle microscopiche diventa conduzione di calore.
La formula di calcolo di base della conduzione del calore è la legge di Fourier: il calore trasferito per conduzione del calore in un tempo unitario è proporzionale all'area della sezione trasversale perpendicolare al flusso di calore e proporzionale al gradiente di temperatura. Il segno negativo indica che la direzione della conduzione del calore è opposta alla direzione del gradiente di temperatura.
La conduttività termica è una proprietà fisica intrinseca di un materiale, che rappresenta la conduttività termica del materiale. Maggiore è la conduttività termica, migliore è la conduttività termica del materiale.
(2) Convezione termica
La convezione termica si riferisce allo spostamento relativo tra varie parti del fluido causato dal movimento macroscopico del fluido e al processo di trasferimento del calore causato dalla miscelazione di fluidi freddi e caldi. La convezione termica si verifica solo nel fluido. Poiché le molecole nel fluido eseguiranno anche un movimento termico irregolare allo stesso tempo, la convezione termica è sempre accompagnata da conduzione del calore.
In una situazione comune in ingegneria, un fluido scorre attraverso un oggetto e genera un processo di trasferimento del calore tra la sua superficie. Questo fenomeno è chiamato processo di trasferimento del calore convettivo.
Il trasferimento di calore a convezione è diviso in due tipi: convezione naturale e convezione forzata.
La convezione naturale è causata dalla diversa densità delle parti fredde e calde del fluido. Ad esempio, l'aria vicino al radiatore viene riscaldata e scorre verso l'alto.
La convezione forzata è dovuta al flusso di fluido dovuto alla differenza di pressione. Ad esempio, l'acqua di raffreddamento è azionata da una pompa dell'acqua per fluire invece di avere una differenza di densità.
La formula di calcolo di base per la convezione termica è la formula di raffreddamento newtoniana.
Il coefficiente di trasferimento del calore convettivo è correlato a molti fattori nel processo di trasferimento del calore. Ad esempio, le proprietà fisiche dell'oggetto, la posizione relativa della forma e delle dimensioni della superficie di scambio termico e la portata del fluido. Nell'analisi di convezione, di solito è necessario utilizzare analisi teoriche o metodi sperimentali per calcolare il coefficiente di trasferimento del calore convettivo sulla superficie dell'oggetto.
(3) Radiazioni termiche
Il modo in cui gli oggetti trasferiscono energia attraverso le onde elettromagnetiche diventa radiazione. Gli oggetti emettono radiazioni per vari motivi, tra cui il fenomeno dell'energia radiante emessa dal calore è chiamato radiazione termica.
La differenza tra la radiazione e i primi due metodi di trasferimento del calore è che i primi due richiedono la presenza di materia, e la radiazione può trasferire energia nel vuoto, e anche il trasferimento più efficiente nel vuoto.
L'ingegneria di solito considera la radiazione tra due o più oggetti, e ogni oggetto nel sistema irradia e assorbe il calore allo stesso tempo. Il trasferimento netto di calore tra di loro è calcolato usando l'equazione di Stephen Boltzmann.