Conducibilità termica
La conducibilità termica, o conduttività termica, in fisica e in particolare nella termodinamica, è una grandezza fisica che misura l'attitudine di una sostanza a trasmettere il calore attraverso la conduzione 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.
Dipende dunque dalla temperatura; inoltre, per alcuni materiali aumenta all'aumentare della temperatura, per altri diminuisce, e 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]
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]
Definizione
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 la densità di flusso di calore (o densità di corrente termica) , 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 misura
Nelle unità del Sistema Internazionale, la conducibilità termica è misurata in W·m−1·K−1 (watt al 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 all'ora-metro-grado Celsius).
Conducibilità termica di alcune sostanze
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.
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 |
ferro | 80,2 | 7874 |
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 |
Uno studio del 2022 dimostra che l'arseniuro di boro cubico possiede la terza migliore conduttività termica dopo quella del diamante e del nitruro di boro cubico, dieci volte superiore a quella del silicio.[4]
Note
Bibliografia
- (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 correlate
Altri progetti
- Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su conducibilità termica
Collegamenti esterni
- (EN) Ken Stewart, thermal conductivity, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
- (EN) radiation conductivity, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
- Coefficienti di conducibilità termica interna a temperatura ambiente, su itchiavari.org.
- (EN) Conducibilità termica di alcuni sostanze (Hyperphysics, Georgia State University, USA)
- (EN) Tavole di conducibilità termica (Kaye & Laby, National Physical Laboratory, UK)
- (EN) IEC, su pubs.acs.org.
- http://store.uni.com/magento-1.4.0.1/index.php/uni-10351-1994.html?josso_back_to=http://store.uni.com/josso-security-check.php&josso_cmd=login_optional&josso_partnerapp_host=store.uni.com[collegamento interrotto] "Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità al vapore."
- IUAV Venezia, "Materiali isolanti, nuove tendenze in architettura" (PDF)
Controllo di autorità | Thesaurus BNCF 32678 · LCCN (EN) sh2003011072 · GND (DE) 4064191-0 · J9U (EN, HE) 987007535162305171 |
---|