Conducibilità termica
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]
Indice |
Definizione [modifica]
La conducibilità termica è 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:
dove:
- Q è la velocità di trasferimento di calore, misurata in watt, cioè la quantità di energia termica (calore) che transita nell'unità di tempo attraverso la sezione S della barra;[4]
- d è la lunghezza, misurata in metri, della barra (ovvero la distanza tra i punti a temperatura
e 
), che si suppone omogenea; - S è l'area, misurata in metri quadri, della sezione trasversale della barra, ortogonale rispetto alla direzione del gradiente di temperatura;
- T1 e T2 sono le temperature, misurate in kelvin, assunte agli estremi della barra.
e 
), che si suppone omogenea;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. [5].
Unità di misura [modifica]
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]
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 | W·m-1·K-1 |
|---|---|
| diamante | 1600 |
| argento | 460 |
| rame | 350 |
| oro | 320 |
| alluminio | 260 |
| ottone | 111 |
| platino | 70 |
| quarzo | 8 |
| vetro | 1 |
| laterizi | 0,8 |
| acqua distillata | 0,6 |
| idrogeno | 0,172 |
| glicole etilenico | 0,25 |
| olio minerale | 0,15 |
| lana | 0,05 |
| vermiculite | 0,046 |
| polistirolo espanso | 0,045 |
| 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 |
Note [modifica]
- ^ cioè la quantità di calore trasferita nell'unità di tempo attraverso l'unità di superficie in direzione perpendicolare al gradiente di temperatura
- ^ I contributi al trasferimento di calore per convezione e per irraggiamento termico vengono trascurati.
- ^ Confronta con l'equazione della propagazione del calore o più in generale: equazione della diffusione
- ^ 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 che è la portata per area unitaria (ed e pari alla portata divisa per la sezione S del "canale" attraverso cui avviene il passaggio di calore);
- ^ 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]
- Robert Byron; Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2a ed. (in inglese), New York, Wiley, 2005. ISBN 0-470-11539-4
- 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 0-471-45728-0
Voci correlate [modifica]
Collegamenti esterni [modifica]
- Coefficienti di conducibilità termica interna a temperatura ambiente
- (EN) Conducibilità termica di alcuni sostanze (Hyperphysics, Georgia State University, USA)
- (EN) Tavole di conducibilità termica (Kaye & Laby, National Physical Laboratory, UK)
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