Conducibilità termica

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La conducibilità 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 e 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]

La conducibilità termica può essere quindi definita come la costante di proporzionalità fra il flusso di calore osservato e il gradiente di temperatura che lo provoca:

conducibilità termica = flusso di calore / (gradiente di temperatura)

o in formule, supponendo che una barra lunga d e di sezione S, abbia i suoi due estremi a contatto con due sorgenti di calore a temperature diverse:

 k=\frac{Q_{rate} \cdot d}{S \cdot (T_2 - T_1)}

dove:

  • Qrate è il tasso di trasferimento di calore (in inglese "heat flow rate", misurato in watt), cioè la quantità di calore che transita nell'unità di tempo attraverso la sezione S della barra;[4]
  • d è la lunghezza della barra (ovvero la distanza tra i punti a temperatura T1 e T2), che si suppone omogenea;
  • S è l'area della sezione trasversale della barra, ortogonale rispetto alla direzione del gradiente di temperatura, ovvero alla direzione attraverso la quale viene misurata la lunghezza d;
  • T1 e T2 sono le temperature assunte agli estremi della barra.

La conducibilità termica di una sostanza dipende dalla temperatura (per alcuni materiali aumenta all'aumentare della temperatura, per altri diminuisce) e dal peso molecolare, mentre aumenta solo debolmente all'aumentare della pressione.[senza fonte]

La conducibilità termica può essere stimata al variare della temperatura ridotta e della pressione ridotta per via grafica, utilizzando un diagramma generalizzato. [5].

Indice

[modifica] Unità di misura

Nelle unità del Sistema internazionale, la conducibilità termica è misurata in watt / (metro × kelvin)[6], essendo il watt l'unità di misura della potenza, il metro l'unità di misura della lunghezza, e il kelvin è l'unità di misura della temperatura.

[modifica] 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 comuni
Sostanza W·m-1·K-1
diamante 1000 - 2600
argento 430
rame 390
oro 320
alluminio 236
ottone 111
platino 70
quarzo 8
vetro 1
acqua distillata 0,6
laterizi 0,8
lana 0,05
vermiculite 0,046
polistirolo espanso 0,03
aria secca (a 300 K, 100 kPa) 0,026
aerogel di silice 0,013 in pannelli sotto vuoto alla pressione di 1,7 · 10-5  atmosfere

[modifica] Note

  1. ^ cioè la quantità di calore trasferita nell'unità di tempo attraverso l'unità di superficie in direzione perpendicolare al gradiente di temperatura
  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. ^ Il tasso di trasferimento di calore può essere pensato come l'analogo nel trasferimento di materia della portata di una conduttura d'acqua (o di un fiume) e non va confuso con il flusso di calore (in inglese "heat flux"), che è una portata per area unitaria (ed e pari alla portata divisa per la sezione S del "canale" attraverso cui avviene il passaggio di calore);
  5. ^ 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.
  6. ^ cioè W·m-1·K-1 o W/(m·K)

[modifica] Bibliografia

  • R. Byron Bird; Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena , 2a ed. (in inglese) New York, Wiley, 2005 . ISBN 0470115394
  • Frank P. Incropera; David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer , 6a ed. (in inglese) Wiley, 2006 . ISBN 0471457280

[modifica] Voci correlate

[modifica] Collegamenti esterni

  • fisica Portale Fisica: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di fisica
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