Le forze dietro la conducibilità termica e come viene applicata
Il trasferimento di calore è una delle principali forze fisiche che guida tutte le reazioni su questo pianeta. Governato dalle leggi della termodinamica, il trasferimento di calore permette di utilizzare e applicare l’energia per alimentare innumerevoli sistemi quotidiani. Il meccanismo del trasferimento di calore è spiegato dalla prima legge della termodinamica. Questa legge afferma che l’energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasferita tra sistemi. Inevitabilmente, quando l’energia viene trasferita tra due sistemi, una parte viene persa nell’ambiente circostante. Questa energia persa avviene sotto forma di calore e può anche essere chiamata energia termica. L’energia termica che è contenuta in un sistema è responsabile della temperatura dell’ambiente.
Metodi di trasferimento del calore
Ci sono tre metodi che facilitano il trasferimento di calore. Questi metodi sono conosciuti come conduzione, convezione e radiazione.
La radiazione trasferisce il calore usando onde elettromagnetiche e non comporta alcuna interazione tra la materia. Il calore che proviene dal sole è un esempio di radiazione.
La convezione si verifica nei liquidi e nei gas e descrive il movimento del calore da un luogo all’altro facilitato dal movimento dei fluidi. Quando vengono riscaldati, i fluidi si espandono e diventano meno densi. Il fluido caldo sale e sposta il fluido freddo situato sopra di esso spingendolo verso la fonte di calore. Questo fluido freddo si riscalderà e salirà verso l’alto creando un flusso costante di fluido da una zona di alto calore a una di basso calore. La convezione spiega come i radiatori a battiscopa possono riscaldare un’intera stanza. L’aria calda generata dai radiatori scorre rapidamente verso l’alto spingendo l’aria fredda verso il riscaldatore sul pavimento creando un flusso d’aria costante.
Il trasferimento di calore per conduzione comporta il trasferimento di calore tra due materiali dal contatto della superficie. Non viene scambiata materia tra i materiali, solo energia. Questo tipo di trasferimento di calore avviene nei materiali solidi ed è causato dalle vibrazioni delle particelle. Quando sono esposte a un flusso di energia, le particelle in un solido iniziano a muoversi, ruotare e vibrare creando energia cinetica. Un esempio comune di conduzione è il processo di riscaldamento di una pentola su un fornello. Il calore dal bruciatore si trasferisce direttamente alla superficie della pentola. La temperatura è una misura della quantità di energia cinetica elaborata dalle particelle in un campione di materia. Più energia cinetica ha un materiale, più alta sarà la sua temperatura interna.
Figura 1: Diagramma dei meccanismi di trasferimento del calore
Trasferimento del calore nei metalli
La materia con alta energia cinetica avrà anche un’alta conducibilità termica. La conducibilità termica descrive l’efficienza con cui un materiale può far passare il calore attraverso di esso. È definita dal tasso di flusso di energia per unità di superficie rispetto a un gradiente di temperatura. La maggior parte dei valori di conduttività sono espressi in Watt per metro per gradi Kelvin W/m-K.
La conduttività termica spiega perché camminare a piedi nudi su un pavimento freddo di piastrelle è molto più fresco che camminare su un tappeto, anche se entrambi sono a temperatura ambiente. Piastrelle e rocce hanno una conducibilità termica più alta di tappeti e tessuti, quindi possono trasferire il calore dal piede molto più velocemente, facendo apparire le piastrelle fresche al tatto.
I metalli sono un esempio di un materiale con un’alta conducibilità termica che può trasferire rapidamente il calore. La struttura interna di una molecola di metallo contiene elettroni liberi che possono muoversi liberamente attraverso la massa del materiale. Questi elettroni liberi si scontrano rapidamente con altre particelle facendo vibrare più velocemente la struttura interna di un metallo e riscaldandosi più velocemente. Queste rapide vibrazioni promuovono il flusso di energia e di calore in tutto il metallo.
Metalli come il rame, l’alluminio e l’argento sono frequentemente usati per fare apparecchi e strumenti termici. I tubi di rame sono fili estremamente popolari da usare all’interno di una casa per trasferire energia e calore rapidamente da una zona all’altra. L’alluminio ha proprietà termiche estremamente simili al rame ed è spesso usato come sostituto economico per svolgere le stesse funzioni. L’argento è uno dei metalli più usati per le applicazioni termiche. Oltre il 35% di tutto l’argento prodotto negli Stati Uniti è prodotto per l’elettronica o per usi elettrici. La domanda di argento continua a crescere perché sta diventando un componente cruciale nella produzione di pannelli solari. Anche altri materiali altamente conduttivi dal punto di vista termico come il diamante hanno molte applicazioni pratiche. La polvere di diamante è spesso usata nell’elettronica per trasferire il calore lontano dalle aree sensibili per proteggerle dal surriscaldamento.
Figura 2: Pannelli solari standard che sono spesso prodotti con argento
Trasferimento del calore nei non-metalli
I materiali non metallici si affidano ai fononi per trasferire il calore lungo un gradiente da un’area fredda a una calda. Plastica, schiume e legno sono tutti esempi di materiali con scarsi valori di conducibilità termica. Questi materiali sono conosciuti come isolanti e possono limitare il flusso di calore. Gli isolanti hanno numerose applicazioni estremamente utili che possono proteggere l’energia dalla dispersione nell’ambiente. La schiuma è un materiale isolante estremamente utile per la casa e l’edificio. Oltre il 50% di tutta l’energia domestica viene usata per riscaldare o raffreddare una casa. L’uso di un materiale ad alta conducibilità termica per isolare una casa può ridurre sostanzialmente la quantità di energia richiesta per riscaldare o raffreddare un edificio. I prezzi dell’energia sono in continuo aumento a livello globale, il che rende ideale conservare quanta più energia e calore possibile per abbassare le bollette.
Conclusione
La conduttività termica è una proprietà estremamente importante dei materiali che permette a migliaia di sistemi di produzione di funzionare in modo corretto ed efficiente. Il calore viene costantemente scambiato all’interno di ogni ecosistema sotto forma di energia persa. Lo sfruttamento dell’energia termica per i processi industriali e pratici ha creato eccellenti tecnologie di risparmio energetico che vengono utilizzate quotidianamente. Conduzione, radiazione e convezione sono i diversi modi in cui il calore può muoversi attraverso un sistema. La struttura, la densità e la composizione del materiale sono fattori che possono influenzare la conduttività termica di un campione. I materiali con alti o bassi valori di conducibilità termica sono usati per una varietà di applicazioni quotidiane. Anche se molto sottovalutata, la vita non sarebbe la stessa senza il trasferimento di calore e lo scambio termico.
Autore: Kallista Wilson | Junior Technical Writer | Thermtest