Conducibilità termica materiali

Conducibilità termica dei materiali per risparmiare in casa

Conducibilità termica: secondo principio della termodinamica

Per avere un’idea chiara ed accurata di cosa sia la grandezza fisica chiamata conducibilità termica è utile richiamare alla mente alcune basi di termodinamica.

Indice:

Il secondo principio della termodinamica

Nell’enunciato di Clausius, afferma che dati due corpi A e B a contatto, se la temperatura del corpo A è maggiore della temperatura del corpo B il calore si muoverà spontaneamente da A verso B fino a raggiungere una temperatura di equilibrio per entrambi i corpi.

In altre parole ciò indica che è impossibile ottenere una qualsiasi trasformazione che abbia come unico risultato il trasferimento di energia termica da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta, in quanto tale operazione non è spontanea.

Il trasferimento di calore spontaneo avviene con tempi e modalità differenti a seconda dei materiali che costituiscono i due corpi e alla differenza di temperatura che si è instaurata tra di essi.

Ogni tipologia di materiale presenta infatti una diversa attitudine a trasmettere il calore e tale caratteristica è misurata dalla conducibilità termica.

Definizione di conducibilità termica per i materiali

La conducibilità o conduttività termica indica il trasporto di calore attraverso un corpo come conseguenza di un gradiente di temperatura.

Nello specifico è data dal rapporto tra il flusso di calore (calore trasferito nell’unità di tempo: dQ/dt) che passa attraverso una sezione e il gradiente di temperatura (differenza di temperatura: ΔT/Δx).

La sezione di interesse è quella attraverso la quale il calore passa a velocità costante con una direzione perpendicolare.

La conducibilità termica viene indicata con la lettera k e a volte con quella greca λ, mentre la sua unità di misura è il W/(mK); in alternativa, soprattutto in alcuni settori, viene misurata in kcal/(hm°C).

Ogni materiale ha uno specifico valore di conduttività che influenza il passaggio di calore attraverso il corpo:
maggiore è il valore di k maggiore sarà la facilità con cui si avrà il passaggio di calore.

cappotto termico casa

Al contrario, a piccoli valori di conducibilità termica corrispondo trasferimenti di energia più difficoltosi. Questa caratteristica ha influenzato la scelta dei materiali utilizzati in moltissime applicazioni, come il riscaldamento degli ambienti domestici, la costruzione di edifici, gli scambiatori di calore utilizzati nel settore automobilistico e aerospaziale, e moltissime altre ancora.

É infatti molto utile, a seconda dell’effetto che si vuole ottenere, poter scegliere un materiale che permetta un rapido passaggio del calore se l’obiettivo è progettare uno scambiatore di calore, oppure un materiale che ostacoli il passaggio del calore, se si mira a mantenere due ambienti a temperature diverse, come succede nelle case nelle stagioni molto calde e molto fredde.

I materiali con alta conducibilità termica

Il materiali che presentano un elevato valore di conducibilità termica sono detti conduttori termici. Il passaggio di calore attraverso materiali con un alto valore di conducibilità termica avviene facilmente e in un tempo relativamente breve viene raggiunta la temperatura di equilibrio.

I metalli sono i materiali considerati come migliori conduttori termici, in particolare quelli che presentano i valori più alti di conduttività termica (riferita ad una temperatura di 20°C) sono:

  • l’argento, che ha un valore di k pari a 420 W/mK;
  • il rame con 395 W/mK;
  • l’oro con 299 W/mK;
  • l’alluminio con un valore di 210 W/mK.

Se si prova a scaldare localmente una sbarra realizzata in uno di questi materiali si noterà che che in poco tempo aumenterà la temperatura anche delle parti fredde, fino al raggiungimento di un valore omogeneo in tutto il volume.

materiali ad alta conducibilità per un maggior risparmio di energia in casa

Ciò accade, dal punto di vista microscopico, a causa dell’aumento dell’energia cinetica delle molecole nella zona riscaldata; l’incremento dell’oscillazione influenza anche il movimento delle molecole adiacenti, propagando l’energia termica nel materiale.

Questo fenomeno è definito conduzione termica ed è molto efficace nei metalli, tanto che vengono utilizzati appositamente ogni volta che serve un materiale adatto allo scambio termico e alla rapida trasmissione del calore.

I materiali con bassa conducibilità termica

I materiali che invece presentano un basso valore di conducibilità sono definiti isolanti. Il calore viene ostacolato nel passaggio attraverso un corpo isolante a causa della struttura del materiale.

Se viene riscaldata localmente una sbarra di un materiale di questo tipo difficilmente la stessa temperatura viene raggiunta nell’estremo opposto alla fonte di calore.

Questa caratteristica rende gli isolanti molto utili nel campo dell’edilizia, dove la coibentazione è un aspetto fondamentale nella costruzione di edifici e permette un risparmio in termini di condizionamento degli interni. Per tali applicazioni minore è il valore di k, migliore è l’effetto desiderato.

Non è l’edilizia l’unico campo in cui si fa uso di materiali isolanti:
il settore industriale vede molte applicazioni nelle coibentazioni di forni, macchinari o reattori che lavorano a temperature molto alte, ma che devono mantenere sulla superficie esterna una temperatura tale da non arrecare danno agli operatori che lavorano vicino.

Alcuni esempi di materiali che hanno caratteristiche isolanti sono:

  • il legno, con una conducibilità di circa 0,18 W/mK;
  • il sughero, con un valore di 0,052 W/mK;
  • il vetro, con 0,5 W/mK.

La conducibilità termica dei materiali in edilizia

Come in precedenza accennato, il passaggio di calore avviene spontaneamente da un corpo caldo ad uno freddo fino al raggiungimento di una temperatura di equilibrio.

Applicando tale principio al campo dell’edilizia possiamo capire per quale motivo sia difficile mantenere il calore all’interno delle abitazioni durante l’inverno e quanto sia difficile impedire il riscaldamento delle stanze in estate.

conducibilità termica dei materiali utilizzati per l'edilizia

Già durante la costruzione degli edifici, soprattutto in quelli nuovi, è previsto l’impiego di strati di coibentazione interna alle pareti con l’utilizzo di materiali isolanti, come la lana di roccia, il poliuretano e anche il cartongesso.

Bisogna inoltre considerare che i mattoni stessi, con sui sono realizzati i muri, hanno un effetto isolante. Quello che rende un materiale ottimo per la coibentazione non è solo la sua struttura, ma anche la sua porosità: i materiali che presentano una struttura cellulare con molta aria inglobata all’interno hanno un effetto isolante migliore.

Ciò è dovuto al fatto che l’aria è un ottimo isolante, con una conducibilità termica di 0,026 W/mK.

GenialEnergy offre diverse soluzioni nel campo dell’edilizia per il risparmio energetico e per migliorare l’efficienza degli edifici.

Un isolamento termico efficace può essere ottenuto attraverso l’applicazione di un cappotto termico, che permette un migliore mantenimento delle temperature della casa in tutte le stagioni, attraverso l’applicazione di un sottile strato di materiale contenente nanosfere.