Fondamenti della termodinamica

Conduzione termica

calore conduzione

La conduzione è uno dei metodi di trasferimento di calore, in particolare la conduzione è il passaggio di calore all’interno di corpi per contatto molecolare.

A seconda del mezzo dove avviene la conduzione ci sono diversi meccanismi a livello microscopico. A livello macroscopico Fourier trovò un’equazione che rispecchiasse i fenomeni reali. L’equazione costitutiva di Fourier per la conduzione è la seguente

(1)   \begin{equation*}q=-kS\frac{dT}{dx}\end{equation*}

La conducibilità termica k e dipende sia dalla temperatura sia dal tipo di materiale [W/(mK)]. S è la superficie normale al flusso di calore e \frac{dT}{dx} è il gradiente di temperatura. Il segno meno rappresenta la diversa direzione tra flusso termico e gradiente di temperatura. Il gradiente di temperatura è un vettore che ci indica la direzione tra la superficie più fredda verso quella più calda. Il flusso di calore è invece diretto dalla zona più calda a quella più fredda, ciò significa che i due vettori sono opposti. Questa equazione ovviamente deve essere preceduta da opportune ipotesi:

  • flusso di calore unidirezionale regime stazionario
  • nessuna dipendenza dal tempo

Per arrivare ad un’espressione più generale si rimanda all’equazione generale della conduzione.

isolante polistiroloConducibilità termica

Per dare degli ordini di grandezza la conducibilità termica del diamante si aggira sui 2000 (W/(mK)), mentre per l’argento 430, rame 390, platino 70, polistirolo 0.03, aria 0.026. La conduzione all’interno di un solido è tanto migliore quanto più è ordinata la struttura cristallina. Il diamante è un monocristallo con struttura esattamente cristallina, e anche i materiali metallici sono composti da molte strutture cristalline. La struttura delle sostanze liquide e gassose è molto più caotica e la conducibilità termica diminuisce drasticamente. Per questo motivo il polistirolo è considerato un isolante e viene inserito nelle mura dei palazzi, in modo da ostacolare la fuga del calore in inverno e l’ingresso del calore in estate.

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