Conducibilità termica

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La conducibilità termica o conduttività termica (indicata con λ o k) è il rapporto, in condizioni stazionarie, fra il flusso di calore[1] e il gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore.[2] 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, 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 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.[3]

Definizione[modifica | modifica sorgente]

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

 \bar \bar k=\frac{\vec q}{\nabla T}

dove:

  • q è il vettore flusso termico
  • ∇T è il gradiente di temperatura

Nel caso in cui i due vettori siano paralleli, la conducibilità termica è uno 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), e dipende anche dalla pressione nel caso di aeriformi.[senza fonte]

La conducibilità termica può essere stimata al variare della temperatura ridotta e della pressione ridotta per via grafica, utilizzando un diagramma generalizzato. [4].

Unità di misura[modifica | modifica sorgente]

Nelle unità del Sistema internazionale, la conducibilità termica è misurata in watt per 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[modifica | modifica sorgente]

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 comuni
Sostanza W·m-1·K-1
diamante 1600
argento 460
rame 350
oro 320
alluminio 260
ottone 111
platino 70
quarzo 8
ghiaccio 2,20 - 2,50
vetro 1
laterizi 0,8
neve (compatta, strati da 20 a 40 cm) 0,70
acqua distillata 0,6
idrogeno 0,172
glicole etilenico 0,25
neve (moderatamente compatta, strati da 7 a 10 cm) 0,23
olio minerale 0,15
neve (soffice, strati da 3 a 7 cm) 0,12
neve (appena caduta e per strati fino a 3 cm) 0,06
lana 0,05
vermiculite 0,046
polistirolo espanso 0,045
aria secca (a 300 K, 100 kPa) 0,026
poliuretano 0,026
aerogel di silice 0,013 in pannelli sotto vuoto alla pressione di 1,7 × 10-5  atmosfere

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ cioè la quantità di calore trasferita nell'unità di tempo attraverso l'unità di superficie
  2. ^ I contributi al trasferimento di calore per convezione e per irraggiamento termico vengono trascurati.
  3. ^ Confronta con l'equazione della propagazione del calore o più in generale: equazione della diffusione
  4. ^ 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.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • (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.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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