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

termica

λ

Calk/mh°C

Densità

g/cm3

Calore specifico cp

Cal/g°C

Diffusività Temica

α²

Diamante

3.50

3.55

0.5

1.971

Argento

1.01

10.5

0.056

1.717

Oro

0.70

19.3

0.031

1.169

Rame

0.90

8.93

0.093

1.083

Alluminio

0.48

2.7

0.214

0.830

Ottone

0.15-0.3

8.5

0.093

0.19-0.38

platino

0.17

21.3

0.032

0.249

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/) con le grandezze espresse in MKSA

Materiale

Conduttività

W/(m K)

Diffusività

mm2/s

Rame

399

117

Alluminio

237

98.8

Acciaio

81

22.8

Marmo

2.8

1.35

Quarzo

1.40

0.87

Gesso

0.51

0.47

Polietilene

0.35

0.15

 

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