Conducibilità termica, trasmittanza e resistenza

In questo appunto descriviamo tre grandezze legate alla trasmissione del calore: la conduttività termica o conducibilità, la trasmittanza termica e la resistenza termica. Esaminiamo le definizioni di queste grandezze, le loro unità di misura e il ruolo che hanno nella propagazione del calore: per conduzione.

Propagazione del calore, meccanismi di trasmissione

La trasmissione del calore è il passaggio dell'energia termica che avviene tra due corpi oppure all'interno dello stesso corpo tra due parti di esso purché si trovino a temperatura diversa; ad esempio la parte esterna ed interna di una parete o di una vetrata. Il verso con cui si muove il flusso termico è legato al gradiente di temperatura: il passaggio di calore avviene sempre dai punti a temperatura più alta a quelli a temperatura più bassa. I meccanismi di trasmissione del calore sono 3:

• Conduzione: trasferimento di energia senza spostamento di materia
• Convezione: Trasferimento di energia e di materia
• Irraggiamento: Trasmissione del calore sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.

Per ulteriori approfondimenti sulla trasmissione del calore vedi anche qua

Conduzione e conducibilità termica

[math]\lambda[/math]

Il passaggio di calore mediante conduzione avviene senza spostamento di materia, grazie al fatto che ciascuna molecola trasferisce energia a quella vicina, che si trova a temperatura più bassa. Si verifica prevalentemente dei solidi e la quantità di calore trasmessa, in condizioni di regime stazionario, si calcola mediante la legge di Fourier:

Dove i vari termini sono:

• [math]\lambda[/math]
  :conducibilità termica
  [math][\frac{W}{m\cdot K}][/math]
• t: durata temporale della trasmissione
• S: superficie perpendicolare alla direzione del flusso [m^2]
• d: distanza delle pareti tra cui si ha la conduzione o spessore del materiale [m]
• [math]\Delta T[/math]
  : gradiente termico [K]

Il coefficiente detto conducibilità termica, esprime la quantità di calore Q che attraversa nel tempo di un secondo, un metro quadro di superficie di un materiale che abbia lo spessore di 1 metro, quando la differenza di temperatura tra le due facce è di 1 grado Kelvin. Infatti l’unità di misura di questa grandezza è il Watt su metro per Kelvin.
Valori elevati del coefficiente corrispondono a materiali definiti buoni conduttori termici, Mentre valori bassi corrispondono a materiali definiti cattivi conduttori termici. Questa terminologia è molto utilizzata nell’edilizia: è importante che gli ambienti interni degli edifici siano in grado di mantenere a lungo costante la loro temperatura nonostante gli sbalzi termici che avvengono all'esterno.

Conducibilità termica dei materiali

La conducibilità termica è una proprietà fisica dei materiali, con essa misuriamo la capacità che ha un determinato materiale a lasciarsi attraversare dal calore. Se il passaggio di calore avviene rapidamente allora significa che un materiale ha un elevato valore di conducibilità termica ad esempio i metalli sono buoni conduttori di calore. Per contro i materiali che non lasciano passare facilmente il calore sono definiti isolanti termici, essi hanno dei valori molto bassi di . Sono materiali isolanti: il legno, il vetro e la lana. Se stendiamo un tappeto di lana su un pavimento di marmo dopo un po il pavimento e il tappeto raggiungono la stessa temperatura.
Perché a piedi nudi si avverte più freddo sul marmo che sul tappeto?
Perché il marmo avendo un coefficiente di conducibilità termica 700 volte più grande di quello della lana a contatto con i nostri piedi assorbe calore molto più rapidamente della lana.
Confrontiamo i valori di conducibilità termica di alcuni materiali da costruzione e metalli.

• calcestruzzo ordinario
  [math]\lambda=1,91[/math]
• calcestruzzo leggero confezionato con argilla espansa
  [math]\lambda=0,5[/math]
• malta cementizia
  [math]\lambda=1,40[/math]
• intonaco di calce e gesso
  [math]\lambda=0,70[/math]
• laterizio forato
  [math]\lambda=0,30[/math]
• rame
  [math]\lambda=380[/math]
• acciaio
  [math]\lambda=52[/math]

Trasmittanza U o conducibilità per metro lineare

La trasmittanza termica è molto importante quando bisogna quantificare il fabbisogno energetico di un edificio e costituisce un fattore fondamentale nella valutazione della classe energetica.
Questo parametro è indicato con la lettera U e si calcola come il rapporto tra la conducibilità termica e lo spessore.
La sua unità di misura è il Watt su metro quadro per grado Kelvin.
Questo parametro indica la quantità di calore dispersa attraverso 1 metro quadro di superficie di materiale con una differenza di temperatura pari ad 1 grado.
Non si tratta di una caratteristica del materiale ma sta ad indicare la dispersione di calore di una superficie realizzata del materiale con una certa conducibilità .
Se il coefficiente di trasmittanza è molto basso, è una cosa positiva perché sta ad indicare l’efficacia dell'elemento costruttivo, ovvero la bassa tendenza a disperde calore. Ad esempio le pareti di un edificio con bassi valori di trasmittanza trattengono il calore interno garantendo l'isolamento termico e quindi un’elevata efficienza energetica.
La trasmittanza termica rappresenta quindi il flusso di calore che attraversa una superficie unitaria sottoposta alla differenza di temperatura pari esattamente ad 1 grado. È il principale parametro di riferimento per calcolare le dispersioni termiche attraverso l’involucro di un edificio. Più basso è il valore del coefficiente di trasmittanza degli elementi costruttivi, minore sarà il flusso di calore che li attraversa.
Riscaldare un ambiente ha un costo molto elevato, sia dal punto di vista economico che dal punto di vista ambientale. I romani affrontavano il problema della climatizzazione delle loro abitazioni già durante la fase di progettazione. Sfruttando la circolazione dei venti nel territorio e l’insolazione nelle varie stagioni e ore del giorno, facevano in modo che gli edifici avessero particolari orientazioni per mantenere fresche alcune aree in estate e tiepide altre in inverno.

Per ulteriori approfondimenti sugli impianti di riscaldamento vedi qua

Resistenza termica R

La resistenza termica di un materiale misura la sua tendenza ad opporsi alla conduzione del calore. Questo parametro deve avere dei valori elevati soprattutto per gli isolanti termici. Il valore di R si calcola come rapporto tra lo spessore del materiale e la conducibilità termica .
Le unità di misura della resistenza termica sono il metro quadro per Kelvin su Watt di energia termica:

Anche questo parametro è molto importante ai fini dell'isolamento termico. Per calcolare la prestazione termica di un intero edificio bisogna sommare le resistenze termiche di tutti i materiali sia i rivestimenti interni che quelli esterni. Si procede in maniera analoga a quanto si fa per calcolare la resistenza elettrica equivalente di un sistema di resistori in serie o in parallelo. Una parete è composta in genere da diversi materiali strutturali stratificati: mattoni, laterizi, legno , cemento armato e acciaio; ciascuno caratterizzato dal suo valore di conducibilità.
La resistenza termica che si deve calcolare deve essere un valore equivalente perché deve tener conto delle caratteristiche di tutti questi materiali disposti l’uno sull’altro.
Costruire edifici termicamente efficienti e contemporaneamente assumere un atteggiamento ecologicamente corretto nei confronti dell’ambiente è possibile grazie ai principi di un’architettura sostenibile o “Green building”.