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TERMOGRAFIA: principi fisici e basi teoriche

Torniamo per un attimo alle leggi fisiche: esiste una differenza sostanziale tra il concetto di “calore” e quello di “temperatura”. Per “calore” si intende la forma macroscopica sotto la quale l’energia passa da un sistema fisico ad un altro. Per “temperatura” invece si intende lo stato termico proprio di un corpo, in un determinato momento: in particolare rappresenta lo stato di agitazione molecolare e degli atomi che costituiscono la materia.
La tecnica di rilievo termografico fornisce una vera e propria “immagine termica" di un oggetto, fermo o in movimento e posto a qualunque distanza, senza richiedere alcun contatto fisico e senza influenzare in alcun modo la temperatura di superficie dell’oggetto stesso.
Già gli antichi egizi, furono in grado, grazie alla sensibilità tattile, di monitorare la temperatura superficiale del corpo, e giunsero alla conclusione che la temperatura corporea aumenta durante il giorno e si localizza in zone affette da patologie.
L'astronomo William Herschel scoprì l'infrarosso nel 1800. Partendo dalla considerazione che la luce del sole è composta da tutti i colori dello spettro e che, allo stesso tempo, rappresenta una fonte di calore considerevole, Herschel cercò di scoprire quali fossero nello specifico i colori responsabili del surriscaldamento degli oggetti. L'astronomo ideò un esperimento, utilizzando un prisma, del cartone e alcuni termometri con il bulbo dipinto di nero, per misurare le temperature dei diversi colori. Herschel osservò un aumento della temperatura mentre spostava il termometro dal viola al rosso, nello spettro creato dalla luce del sole che passava attraverso il prisma. Herschel concluse che le temperature più elevate corrispondevano al colore rosso. La radiazione che causava tale surriscaldamento non risultava visibile; l'astronomo chiamò la radiazione invisibile "raggi calorifici". Oggi, tale radiazione viene chiamata infrarosso.
La fotografia fu la prima tecnica ad introdurre l’utilità fisica e scientifica di poter studiare il campo di radiazioni denominato appunto “infrarosso termico”, indagando il cosiddetto infrarosso “vicino”, verso la metà del ‘900.

Principi fisici

Il principio fisico su cui si basa la tecnica di rilievo termografico all’infrarosso è l’irraggiamento termico. Si genera trasmissione di calore per irraggiamento ogni volta che due o più corpi, aventi temperature diverse, si trovano in presenza l’uno dell’altro, separati da un mezzo che sia sufficientemente trasparente alle radiazioni. Ciascuno dei corpi emette energia radiante e nello stesso tempo ne riceve dagli altri, assorbendo almeno in parte l’energia ricevuta. Anche il mezzo, a meno che non si tratti dello spazio vuoto, prende parte attiva allo scambio per radiazione, in quanto anch’esso emette ed assorbe, (anche se in misura ridotta) l’energia radiante.
L’irraggiamento termico è una forma particolare di emissione di radiazione elettromagnetica da parte di un corpo, per effetto della sua temperatura. Il comportamento dei corpi nei confronti dell’energia emessa e delle radiazioni che incidono su di essi è chiaramente diverso a seconda che il corpo in esame si trovi allo stato aeriforme, oppure allo stato di corpo condensato (solido o liquido). A tal proposito si accenna alla distinzione tra emissione volumetrica, caratteristica dei gas e degli aeriformi in genere, ed emissione superficiale che caratterizza il comportamento della maggior parte dei solidi e dei liquidi. In questi ultimi, infatti, la radiazione emessa dalle molecole interne è fortemente assorbita da quelle adiacenti, per cui la radiazione che proviene da un corpo solido o liquido è solo quella emessa dalle molecole che si trovano entro la distanza di 1[µm] dalla superficie esposta. Circa le modalità di eccitazione termica, bisogna fare un’ulteriore distinzione tra eccitazione per temperatura (nel qual caso le caratteristiche di irraggiamento dipendono esclusivamente dalla natura del corpo e dalla sua temperatura) ed eccitazione per luminescenza, in cui assumono particolare importanza la forma di energia eccitatrice e le modalità con cui viene comunicata all’emettitore.
Lo spettro delle onde elettromagnetiche si può convenzionalmente dividere in bande di lunghezze d’onda a seconda delle proprietà che si vogliono considerare. Non vi è tuttavia alcuna differenza sostanziale tra le radiazioni di diversa lunghezza d’onda, nel senso che sono tutte governate dalle medesime leggi.
Il campo di lunghezze d'onda corrispondente alla radiazione termica è, approssimativamente, quello compreso tra 0.1 [µm] e 100 [µm]. Questo campo comprende, a sua volta, parte dell'ultravioletto, la banda del visibile e parte dell'infrarosso.

Si è detto che tutti i corpi a temperature maggiori dello “zero assoluto” irradiano energia sotto forma di onde elettromagnetiche. Nel caso particolare di un corpo solido o liquido vengono emesse radiazioni elettromagnetiche di tutte le lunghezze d'onda; le relative intensità, però, sono diverse e tendono a concentrarsi, al di sotto dei 500°C, principalmente nel campo dell'infrarosso. Per questo motivo, la banda dell'infrarosso è spesso nota come la ”regione del calore” dello spettro elettromagnetico. L'infrarosso è caratterizzato da radiazioni di lunghezza d'onda comprese tra 0.75 [µm] e 1000 [µm] e confina, dal lato delle piccole lunghezze d'onda, con la regione del visibile e, dal lato delle grandi lunghezze d'onda, con le microonde. La spiegazione fisica delle suddette caratteristiche è che la radiazione infrarossa è prodotta dai moti rotazionali e vibrazionali delle particelle atomiche e subatomiche, di cui i corpi sono costituiti. Dal momento che le suddette particelle sono in continuo movimento, tutti i corpi fisici emettono sempre radiazioni infrarosse. Dato che esiste una grande varietà di queste particelle, sono emesse radiazioni a diverse frequenze e si viene a ricoprire tutto lo spettro infrarosso.

  • particelle subatomiche i cui salti forniscono la maggior parte delle radiazioni nella banda del vicino infrarosso (IR);
  • particelle atomiche i cui movimenti producono radiazioni nella banda del medio IR;
  • molecole le cui vibrazioni e rotazioni generano radiazioni nel lontano IR.

Esiste una correlazione tra la temperatura del corpo e la radiazioni infrarossa.
Il calore è energia, per la precisione energia cinetica, che è trasferita alle particelle descritte precedentemente. La temperatura può essere definita come il livello di agitazione di queste particelle: più alto è il loro contenuto energetico, maggiore sarà l’agitazione e più alto sarà il livello di temperatura, a cui il corpo si trova. Questo significa che più alta è la temperatura, più elevata sarà l’intensità della radiazione infrarossa emessa.

Emissività

L’emissività è una caratteristica fisica propria del materiale di cui è costituito l’oggetto studiato o, in particolare, la sua superficie visibile: si tratta di una precisazione fondamentale considerato che, per definizione, il rilievo termografico fornisce di un corpo esclusivamente la mappa termica superficiale. Questo significa che possono essere effettuate considerazioni molto utili su ciò che succede negli strati più interni ma rimangono considerazioni puramente deduttive, non derivate da una lettura diretta.
Il valore di emissività, da definizione matematica,  può essere compreso tra 0 (corpo completamente riflettente) e 1 (corpo completamente opaco, il cosiddetto “corpo nero”, come definito in fisica). Possiamo assumere l’emissività come parametro di "bontà" del materiale, al fine di poterne effettuare l’indagine termografica.
Non bisogna dimenticare che attribuendo allo strumento diversi valori di emissività per uno stesso materiale, si rilevano valori di temperatura diversi. Ne consegue che, relativamente alla stessa immagine termografica, non è possibile effettuare più letture di temperatura senza modificare volta per volta il parametro di emissività richiesto dallo strumento (termocamera o software di lettura), a meno che le letture non siano tutte riferite allo stesso materiale ma in punti diversi. Tuttavia quest’ultima condizione è da considerarsi meno diffusa: la pratica dimostra che, all’interno del singolo fotogramma termografico (termogramma), si individuano punti di interesse diversi che corrispondono a materiali diversi o all’interazione di tra gli stessi.
In secondo luogo, ne consegue che non è possibile misurare in modo attendibile la temperatura di corpi trasparenti alla radiazione termica o che la riflettono in modo sensibile (che hanno quindi, in quest’ultimo caso, un basso valore di emissività, prossimo allo zero). E’ possibile valutare termicamente in modo attendibile solo corpi opachi, caratterizzati quindi da un alto valore di remissività, il più prossimo possibile al valore 1.
Solo alcuni dei dati rilevabili con uno strumento di indagine termografica sono di tipo “assoluto”. La maggior parte di essi necessita inderogabilmente di una lettura che dipende esclusivamente dalla formazione specifica e dall’esperienza del tecnico che la effettua. Uno stesso termogramma può infatti fornire informazioni diverse e di diversa utilità a operatori che possiedono diversi bagagli tecnici e culturali. Analogamente, diverse capacità di lettura preventiva del contesto, determinano e giustificano, nelle variegate situazioni applicative, la necessità o l’utilità di registrare (o meno) determinate informazioni.