Misurare la conduttività termica
In alcuni testi scolastici si definisce anche conducibilità, e il suo scopo è indicare quanto la conduzione del calore sia efficiente nei diversi materiali. Bisogna precisare però che ci sono altre due modalità di trasmissione del calore, ovvero la convezione e l’irraggiamento.
La prima è caratteristica dei fluidi, mentre la seconda è un fenomeno di emissione di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.
Per indicare questa grandezza si utilizza la lettera k, e l’unità di misura della conduttività elettrica è il W/(m x K), ossia il Watt su metro per Kelvin. In alcuni testi al posto della k si utilizza la lettera greca λ, in modo equivalente. Ogni materiale ha un proprio valore, e in base a quello lo si può classificare come un buon conduttore, un cattivo conduttore o un isolante.
Il Watt su metro per Kelvin è l’unità di misura ufficiale, ovvero quella indicata dal Sistema Internazionale (S.I.). All’interno del Sistema pratico degli ingegneri (S.T.) però ne ha un diversa, ossia kcal/(h x °C). Vale a dire le chilocalorie all’ora (h) per grado Celsius (°C). Non si utilizzano i gradi Kelvin in quanto il sistema pratico è nato in Italia e non negli Stati Uniti.
Tra i buoni conduttori possiamo trovare il rame (Cu) che ha k = 390, e l’argento (Ag), con k = 460. Non reggono però il confronto con il carbonio puro al 100% (ovvero i diamanti) che arriva a un valore di conducibilità pari a 1.600. Tra i materiali isolanti invece troviamo quelli che hanno valori di k prossimi allo zero, come il legno di quercia, il sughero e il polistirolo.
Il postulato di Fourier
La prima legge che regola la conduzione del calore, e di conseguenza spiega la conduttività termica, è opera del fisico francese Jean Baptiste Joseph Fourier. Si tratta dello stesso scienziato che per primo definì l’effetto serra, assumendo che l’atmosfera terrestre fosse in grado di trattenere il calore dei raggi del sole. I suoi studi sono illustrati nella sua pubblicazione Teoria analitica del calore.
Il postulato di Fourier esamina il caso di una lastra piana di un materiale in grado di condurre il calore: La potenza termica (P) scambiata dal materiale si può calcolare con la formula P = -λA (ΔT/Δx). Nel dettaglio:
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Saldo e stralcio
- A rappresenta la superficie della lastra, e si esprime in m².
- ΔT rappresenta la variazione di temperatura a cui è soggetta la lastra quando riceve il calore. Per misurarla si utilizzano i gradi Kelvin.
- Δx è lo spessore della lastra, e si esprime in metri.
- λ è la conduttività termica specifica del materiale che compone la lastra.
Questa legge presuppone che la lastra dove passa il calore sia omogenea, quindi composta da un solo materiale e con spessore regolare. Se ricaviamo la formula inversa per λ otteniamo che è uguale a – PΔx/AΔT. Partendo dallo spessore Δx e da λ si può anche calcolare la resistenza termica del materiale, che si indica con la lettera R. La formula è R = Δx/λ.
La conduttività termica dei materiali e l’edilizia
Tenere conto di questa proprietà è importante per chi lavora in ambito edile in quanto i valori del materiale utilizzato per la muratura variano le loro prestazioni termiche. L’impiego di isolanti per esempio è necessario non solo per garantire la conservazione del calore prodotto dal riscaldamento, ma perché a questa capacità se ne associano altre.
Un materiale che ha bassa conduttività termica in genere ha anche una bassa resistenza alla diffusione del vapore, dunque risulta traspirante. Un esempio è l’intonaco plastico, con cui si costruiscono i cappotti esterni. Grazie alla traspirazione l’umidità non ristagna all’interno della struttura e diminuisce il rischio di formazione della muffa.
Gli isolanti che trovano impiego nell’edilizia possono essere sintetici, di origine vegetale o ricavati dai minerali. I primi risultano anche molto resistenti all’acqua e sono i più economici disponibili in commercio. I materiali vegetali invece hanno il vantaggio di essere riciclabili oltre che atossici, e garantiscono un buon isolamento acustico oltre che termico. Un esempio è la fibra di legno.
Anche gli isolanti minerali sono riciclabili e rinnovabili, perché sono a loro volta ricavati da elementi naturali. Hanno una buona durata e tra i tre citati sono in assoluto i più resistenti all’umidità. Tra di loro troviamo la lana di vetro, l’argilla e la lana di roccia. Quest’ultima oltre che in edilizia torna utile nei progetti navali per alcune parti dello scafo.
La conduzione e il riscaldamento
Oltre che per garantire l’isolamento degli interni delle case, la conduttività termica torna utile anche per scegliere i materiali da impiegare per i sistemi di riscaldamento. Per costruire i termosifoni per esempio in passato si impiegava molto la ghisa, che pur non conducendo il calore a velocità elevate riesce a trattenerlo a lungo una volta riscaldata. Per un flusso di calore costante risulta la soluzione migliore.
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Un ottimo conduttore di calore è l’alluminio, che si utilizza per gli scambiatori di calore che richiedono una dissipazione rapida. Si tratta di un materiale che si scalda in fretta, e anzi sotto i 200 °C è perfetto per le pirofile dove scaldare i cibi al forno. Una via di mezzo fra ghisa e alluminio è l’acciaio, meno conduttivo dell’alluminio ma più resistente, tra i materiali più usati ora per i termosifoni.
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