Conducibilità termica: alla ricerca di nuovi materiali

La conducibilità termica (λ) è la proprietà intrinseca di un materiale che mette in relazione la sua capacità di condurre il calore.
Indica la quantità di calore che un materiale può trasferire attraverso conduzione termica in un dato intervallo di tempo e dipende dalla sua struttura, composizione e densità.

Pertanto un materiale con alta conducibilità termica sarà in grado di trasferire il calore più efficientemente rispetto a un materiale con bassa conducibilità termica.
La conduzione avviene quando esiste un gradiente di temperatura in un mezzo solido o in fluido stazionario. Il flusso di calore conduttivo si verifica nella direzione della temperatura decrescente perché una temperatura più alta equivale a una maggiore energia molecolare o un maggior movimento molecolare.

L’energia viene trasferita dalle molecole più energetiche a quelle meno energetiche a seguito di uno scontro tra le molecole vicine.

Lo studio quantitativo del calore vide i suoi albori all’inizio del XVIII secolo quando Daniel Fahrenheit inventò un termometro a mercurio capace di misurazioni riproducibili. Nel 1761 Joseph Black  introdusse i concetti di calore latente e calore specifico, entrambi relativi all’immagazzinamento del calore piuttosto che al movimento del calore.

Tuttavia fu solo nel 1822 che il matematico e fisico francese Jean Baptiste Joseph Fourier nel suo trattato “Theorie analytique de la chaleur” sviluppò la trasmissione del calore in modo scientifico e rigoroso enunciando il postulato di Fourier.

Definizione di conducibilità termica

Nel Sistema Internazionale  la conducibilità termica viene misurata in unità di watt per metro per Kelvin (W/m·K)

La conducibilità termica λ  è definita come il flusso di calore Q che si esprime in watt trasmesso attraverso uno spessore unitario L in direzione normale ad una superficie di area unitaria A dovuta a un gradiente di temperatura unitario ∇ T in condizioni stazionarie e quando trasferimento di  calore dipende solo dal gradiente di temperatura.

In formule si esprime come:

λ = Q · L/A ·∇ T

ed è il reciproco della resistività termica, che misura la capacità di un oggetto di resistere al trasferimento di calore.

Da un punto di vista dimensionale si ha:

λ =W · m/m²· ΔT = W/m·∇ T
da cui λ ≡ [W/m·K ]

La conduttività termica di un materiale specifico dipende fortemente da una serie di fattori. Questi includono il gradiente di temperatura, le proprietà del materiale e la lunghezza del percorso seguito dal calore.

Essa varia notevolmente, da quelli a bassa conducibilità come l’aria con un valore di 0,024 W/m·K a 0°C a metalli altamente conduttivi come il rame (385 W/m·K).

I metalli sono generalmente caratterizzati da un elevato valore di λ. Il calore è infatti trasportato dagli elettroni che sono peraltro responsabili della conduttività elettrica σ.

Tuttavia il diamante che è un isolante, ha un valore di λ più alto, a temperatura ambiente, rispetto agli altri materiali finora conosciuti. In tal caso, il calore è trasportato dai fononi prodotti dalla vibrazione degli atomi all’interno del materiale e rappresentato un quanto di vibrazione in un reticolo cristallino rigido.

Tabella della conducibilità termica

Si riportano in tabella i valori dei materiali più comuni:

La conduttività termica è una proprietà molto importante quando si decide quale metallo utilizzare per un’applicazione specifica. Poiché il rame è un eccellente conduttore di calore, va bene per scambiatori di calore, dissipatori di calore e anche fondi di pentole. Poiché l’acciaio è un cattivo conduttore di calore, va bene per ambienti ad alta temperatura come i motori degli aerei.

Nei settori dell’ingegneria termica e dell’isolamento termico, è importante utilizzare materiali con un basso valore di λ per ridurre le perdite di calore o per isolare adeguatamente gli edifici e gli impianti industriali.

Inoltre, la conducibilità termica è un fattore chiave nella progettazione di dispositivi elettronici, come i processori dei computer. I materiali con alto valore di λ vengono spesso utilizzati per facilitare la dissipazione del calore generato dai componenti elettronici, evitando il surriscaldamento e garantendo un funzionamento stabile.

La conducibilità termica può essere influenzata anche dalla temperatura. In alcuni materiali essa diminuisce con l’aumento della temperatura, mentre in altri può aumentare. Questa dipendenza termica può essere caratterizzata dal coefficiente di conducibilità termica k, che dipende dalla temperatura, dalle proprietà fisiche del materiale, dal contenuto di acqua e dalla pressione sul materiale

Comprendere e manipolare questa proprietà è di vitale importanza per la progettazione di dispositivi e sistemi termici efficienti in vari settori scientifici e tecnologici.

Applicazioni

Negli ultimi decenni si sono sviluppati siliconi termicamente conduttivi con diversa viscosità, velocità di polimerizzazione per soddisfare la crescente esigenza di una migliore gestione termica nei dispositivi elettronici praticamente.

Ad esempio gli adesivi termicamente conduttivi sono adatti per incollare e sigillare substrati di circuiti ibridi, componenti di semiconduttori, diffusori di calore che richiedono opzioni di lavorazione flessibili e un’eccellente gestione termica. I composti termicamente conduttivi, comunemente chiamati grassi, fungono da ponte termico che allontana il calore dai componenti elettronici sensibili di un dispositivo e lo dissipa nell’ambiente circostante.

Una migliore gestione del calore è di fondamentale importanza nella transizione ecologica. In campo edile è auspicabile aumentare l’isolamento termico per limitare al minimo le dispersioni termiche. Il principale requisito dei materiali per l’isolamento termico è la bassa conducibilità termica in quanto il calore viene trasferito attraverso il materiale isolante per conduzione. L’uso di materiali per l’isolamento termico negli edifici ha conseguenze sia economiche che ecologiche e, a causa del ridotto consumo energetico, il carico ambientale e il costo del riscaldamento dell’edificio diminuiscono.