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Conducibilità termica

grandezza fisica che misura l'attitudine di un corpo a trasmettere calore
A causa della differente conduttività termica tra le lastre di pavimentazione che compongono questo patio e il prato che lo circonda, il calore residuo nella terra ha fuso parte della neve caduta sulle lastre, ma non quella caduta sul prato.

In fisica, la conducibilità termica, o conduttività termica, misura dell'attitudine di una sostanza a trasmettere il calore attraverso la diffusione termica, quando i contributi al trasferimento di calore per convezione e per irraggiamento termico siano trascurabili. Essa dipende dalla natura del materiale, ma non dalla sua forma, e lega la densità di corrente termica al gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore. La conducibilità termica di una sostanza dipende dalla temperatura; infatti, per alcuni materiali aumenta all'aumentare della temperatura, per altri diminuisce. La conducibilità può dipendere da altri fattori fisici come la porosità, che blocca i fononi responsabili della conducibilità termica, dall'induzione magnetica e dipende anche dalla pressione nel caso di aeriformi.[senza fonte]

La conducibilità termica non va confusa con la diffusività termica (o "conducibilità termometrica")[senza fonte], che è invece il rapporto fra la conducibilità termica e il prodotto fra densità e calore specifico della data sostanza, espressa nel Sistema Internazionale in m2·s-1, analogamente a tutte le diffusività) e misura l'attitudine di una sostanza a trasmettere, non il calore, bensì una variazione di temperatura.[1]

DefinizioneModifica

La conducibilità termica, indicata solitamente con kT, è un tensore del secondo ordine, rappresentabile in un dato riferimento con una matrice quadrata, ed è definita attraverso la legge di Fourier come:

 

dove:

  •   è la densità di corrente termica
  •   è il gradiente di temperatura.

In condizioni stazionarie, i due vettori risultano paralleli, quindi la conducibilità termica è una grandezza scalare indicata solitamente con λ, il che corrisponde a dire che la conducibilità termica è una costante di proporzionalità pari al rapporto fra il flusso di calore, cioè la quantità di calore trasferita nell'unità di tempo attraverso l'unità di superficie, e il gradiente di temperatura.[2]

La conducibilità termica può essere stimata al variare della temperatura ridotta e della pressione ridotta per via grafica, utilizzando un diagramma generalizzato.[3]

Unità di misuraModifica

Nelle unità del Sistema Internazionale, la conducibilità termica è misurata in W·m−1·K−1 (watt su metro-kelvin), essendo il watt l'unità di misura della potenza, il metro l'unità di misura della lunghezza e il kelvin l'unità di misura della temperatura. Nel sistema pratico degli ingegneri, invece, essa è misurata in kcal·h−1·m−1·°C−1 (chilocalorie per ora-metro-grado Celsius).

Conducibilità termica di alcune sostanzeModifica

La conducibilità influisce sulla capacità di un materiale di condurre il calore o fungere da isolante, vale a dire che maggiore è il valore di λ o kT, meno isolante è il materiale. In genere, la conducibilità termica va di pari passo con la conducibilità elettrica; ad esempio i metalli presentano valori elevati di entrambe. Una notevole eccezione è costituita dal diamante, che ha un'elevata conducibilità termica, ma una scarsa conducibilità elettrica.

Conducibilità termica di alcune sostanze
Sostanza λ [W·m−1·K−1] ρ [kg/m3]
diamante 1600 3500 - 3600
argento 460 10490
rame 390 8930
oro 320 19250
alluminio laminato 290 2750
ottone 111 8430 - 8730
platino 70 21400
acciaio laminato 52 7850
piombo 35 11300
acciaio inox 17 7480 - 8000
quarzo 8 2500 - 2800
ghiaccio (acqua a 0°) 2,20 - 2,50 917
vetro laminato 1 2500
laterizi (mattoni pieni, forati) 0,90 2000
laterizi (mattoni pieni, forati) 0,72 1800
neve (compatta, strati da 20 a 40 cm) 0,70
acqua distillata 0,60 1000
laterizi (mattoni pieni, forati) 0,43 1200
laterizi (mattoni pieni, forati) 0,25 600
glicole etilenico 0,25 1110
neve (moderatamente compatta, strati da 7 a 10 cm) 0,23
polipropilene 0,22 920
cartongesso 0,21 900
plexiglas 0,19 1180
carta e cartone 0,18 (0,14 - 0,23) 700 - 1150
legno di quercia asciutto ortogonale alle fibre 0,18 750
idrogeno 0,172
legno asciutto parallelamente alle fibre 0,15 - 0,27 400 - 750
olio minerale 0,15 900 - 930
neve (soffice, strati da 3 a 7 cm) 0,12
legno di abete e pino asciutto ortogonale alle fibre 0,10 - 0,12 400
vermiculite espansa 0,07 90
cartone ondulato (onda singola, 280 g/m2, sp. 2,8 mm) 0,065 100
neve (appena caduta e per strati fino a 3 cm) 0,060
canna palustre (o arelle) 0,055 190
trucioli di legno 0,050 100
sughero 0,052 200
granuli di sughero 0,050 100
vetro cellulare (120) 0,041 120
lana di pecora 0,040 25
polistirolo estruso (XPS) in lastre 0,040 20 - 30
polistirolo espanso sinterizzato (EPS) in lastre 0,035 20 - 30
poliuretano espanso 0,024 - 0,032 25 - 50
aria secca (a 300 K, 100 kPa) in quiete 0,026 1,2
aerogel di silice

(in granuli con dimensione media 0,5 - 4,0 mm )

0,018 1,9
micronal - capsule termoisolanti a cambiamento di fase

(pannelli di cera incapsulata)

0,018 770
aerogel di silice

(in pannelli sotto vuoto a 1,7 × 10-5  atmosfere)

0,013

NoteModifica

  1. ^ Confronta con l'equazione della propagazione del calore o più in generale: equazione della diffusione
  2. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "thermal conductivity"
  3. ^ Esistono altri diagrammi generalizzati, ad esempio per la stima del fattore di comprimibilità. Il diagramma generalizzato trova ragione di essere dal teorema degli stati corrispondenti.

BibliografiaModifica

  • (EN) Robert Byron, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2ª ed., New York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4.
  • (EN) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6ª ed., Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0.
  • Federico M. Butera, Architettura e ambiente, 1ª ed., Milano, ETAS, 1995, ISBN 88-453-0776-X.

Voci correlateModifica

Collegamenti esterniModifica

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