La conduttività termica o conducibilità
Tra le proprietà fisiche dei materiali la conduttività termica è quella che determina la capacità di trasmettere il calore. Gli elementi che conducono bene l’energia termica spesso sono anche buoni conduttori di energia elettrica, come ad esempio i metalli. Se invece il suo valore è basso possiamo parlare di materiali isolanti, come il legno o la lana.
Spesso in Fisica la si confonde con la diffusività termica, che però velocità con cui una sostanza reagisce a una variazione di temperatura. Per calcolarla occorre conoscere il calore specifico del corpo oltre alla conduttività. Si tratta perciò di una grandezza che deriva da quest’ultima.
Misurare la conduttività termica
In alcuni testi scolastici si definisce anche conducibilità, e il suo scopo è indicare quanto la conduzione del calore sia efficiente nei diversi materiali. Bisogna precisare però che ci sono altre due modalità di trasmissione del calore, ovvero la convezione e l’irraggiamento.
La prima è caratteristica dei fluidi, mentre la seconda è un fenomeno di emissione di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.
Per indicare questa grandezza si utilizza la lettera k, e l’unità di misura della conduttività elettrica è il W/(m x K), ossia il Watt su metro per Kelvin. In alcuni testi al posto della k si utilizza la lettera greca λ, in modo equivalente. Ogni materiale ha un proprio valore, e in base a quello lo si può classificare come un buon conduttore, un cattivo conduttore o un isolante.
Il Watt su metro per Kelvin è l’unità di misura ufficiale, ovvero quella indicata dal Sistema Internazionale (S.I.). All’interno del Sistema pratico degli ingegneri (S.T.) però ne ha un diversa, ossia kcal/(h x °C). Vale a dire le chilocalorie all’ora (h) per grado Celsius (°C). Non si utilizzano i gradi Kelvin in quanto il sistema pratico è nato in Italia e non negli Stati Uniti.
Tra i buoni conduttori possiamo trovare il rame (Cu) che ha k = 390, e l’argento (Ag), con k = 460. Non reggono però il confronto con il carbonio puro al 100% (ovvero i diamanti) che arriva a un valore di conducibilità pari a 1.600. Tra i materiali isolanti invece troviamo quelli che hanno valori di k prossimi allo zero, come il legno di quercia, il sughero e il polistirolo.
Il postulato di Fourier
La prima legge che regola la conduzione del calore, e di conseguenza spiega la conduttività termica, è opera del fisico francese Jean Baptiste Joseph Fourier. Si tratta dello stesso scienziato che per primo definì l’effetto serra, assumendo che l’atmosfera terrestre fosse in grado di trattenere il calore dei raggi del sole. I suoi studi sono illustrati nella sua pubblicazione Teoria analitica del calore.
Il postulato di Fourier esamina il caso di una lastra piana di un materiale in grado di condurre il calore: La potenza termica (P) scambiata dal materiale si può calcolare con la formula P = -λA (ΔT/Δx). Nel dettaglio:
- A rappresenta la superficie della lastra, e si esprime in m².
- ΔT rappresenta la variazione di temperatura a cui è soggetta la lastra quando riceve il calore. Per misurarla si utilizzano i gradi Kelvin.
- Δx è lo spessore della lastra, e si esprime in metri.
- λ è la conduttività termica specifica del materiale che compone la lastra.
La conduttività termica dei materiali e l’edilizia
Un materiale che ha bassa conduttività termica in genere ha anche una bassa resistenza alla diffusione del vapore, dunque risulta traspirante. Un esempio è l’intonaco plastico, con cui si costruiscono i cappotti esterni. Grazie alla traspirazione l’umidità non ristagna all’interno della struttura e diminuisce il rischio di formazione della muffa.
Gli isolanti che trovano impiego nell’edilizia possono essere sintetici, di origine vegetale o ricavati dai minerali. I primi risultano anche molto resistenti all’acqua e sono i più economici disponibili in commercio. I materiali vegetali invece hanno il vantaggio di essere riciclabili oltre che atossici, e garantiscono un buon isolamento acustico oltre che termico. Un esempio è la fibra di legno.
Anche gli isolanti minerali sono riciclabili e rinnovabili, perché sono a loro volta ricavati da elementi naturali. Hanno una buona durata e tra i tre citati sono in assoluto i più resistenti all’umidità. Tra di loro troviamo la lana di vetro, l’argilla e la lana di roccia. Quest’ultima oltre che in edilizia torna utile nei progetti navali per alcune parti dello scafo.
