Conducibilità Termica

Da Wikipedia e altro

13 luglio 2016

La conducibilità termica (o conduttività termica, indicata con λ o k) è il rapporto, in condizioni stazionarie, fra

 

-          il flusso di calore (cioè la quantità di calore trasferita nell'unità di tempo attraverso l'unità di superficie)

-          il gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore nel caso della conduzione termica (ovvero quando i contributi al trasferimento di calore per convezione e per irraggiamento termico siano trascurabili).

 

In altri termini, la conducibilità termica è una misura dell'attitudine di una sostanza a trasmettere il calore (vale a dire maggiore è il valore di λ o k, meno isolante è il materiale). Essa dipende solo dalla natura del materiale, non dalla sua forma.

 

La conducibilità termica non va confusa con la diffusività termica (o "conducibilità termometrica"), 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, analogamente a tutte le "diffusività") e misura l'attitudine di una sostanza a trasmettere, non il calore, bensì una variazione di temperatura.

 

Definizione

La conducibilità termica è definita come il rapporto fra il flusso di calore osservato e il gradiente spaziale di temperatura corrispondente:

 

dove:

 

q è il vettore flusso termico

*è il gradiente di temperatura.

Nel caso in cui i due vettori siano paralleli, la conducibilità termica è una grandezza scalare; nel caso generale invece è un tensore del secondo ordine, rappresentabile in un dato riferimento con una matrice quadrata.

 

La legge di Fourier corrisponde a dire che la conducibilità termica è una costante di proporzionalità. La conducibilità termica di una sostanza dipende dalla temperatura (per alcuni materiali aumenta all'aumentare della temperatura, per altri diminuisce), dall'induzione magnetica, e da fattori fisici come la porosità (che blocca i fononi responsabili della conducibilità termica nei materiali ceramici).

 

 

Unità di misura

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

 

Conducibilità termica di alcune sostanze

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

materiale

Conducibilità λ

densità

Calore specifico cp

Diffusività Temica

α²

legno di abete e pino asciutto ortogonale alle fibre

0.10-0.12

0.4

 

 

Diamante

1600

3.5-3.6

0.5

901

Argento

460

10.49

0.23

190

Rame

390

8.93

0.385

113

Oro

320

19.25

0.129

128

Alluminio laminato

290

2.75

0.9

117

Ottone

111

8.43-8.73

0.378

34

platino

70

21.4

 

 

Nota: il calore specifico, più è basso e meglio è nel senso che basta poca energia termica per causare un aumento della temperatura

Diffusività Temica

Nell’Equazione generale della conduzione compare un termine molto importante: la

diffusività termica, indicata con il simbolo α² e definita come segue:

 

α² = λ /ρ cp

 

La diffusività termica rappresenta un indice della velocità con la quale in regime termico non stazionario il calore si diffonde attraverso il mezzo stesso; la diffusività termica rappresenta dunque un indice dell’ inerzia termica della struttura. Questa grandezza descrive quanto rapidamente un materiale reagisce a una variazione di temperatura.

 

Questa è un’altra tabella (https://www.netzsch-thermal-analysis.com/it/landing-pages/definizione-di-diffusivita-termica/)

Materiale

Conduttività

diffusività

Alluminio

237

98.8

Acciaio

81

22.8

Rame

399

117

Quarzo

1.40

0.87

Gesso

0.51

0.47

Polietilene

0.35

0.15

Marmo

2.8

1.35

 

Come si vede dalle tabelle la diffusività del rame e dell’alluminio sono molto simili (98.8-117 contro 113-117) mentre l’argento arriva a 190 e il diamante a 900 circa.