Isolante termico ed isolamento termico
Gli isolanti termici sono materiali che impediscono o limitano, a seconda dei casi, gli scambi di calore tra corpi e con l'ambiente. L'isolamento termico esercitato da un corpo dipende dal tipo di scambio di calore che deve essere inibito, e la sua efficacia dipende dalle caratteristiche fisiche e chimiche del materiale da cui è costituito.
Dopo aver presentato le varie modalità di propagazione del calore (conduzione, convezione e irraggiamento) e aver spiegato in cosa consiste la conducibilità termica con riferimento alla conduzione termica, ci stacchiamo per un attimo dall'approccio didattico e vi proponiamo una lezione di carattere divulgativo. Mostreremo come l'isolamento termico sia un fenomento fisico che interessa i più svariati ambiti di applicazione, come mantenere fresca una bevanda il più a lungo possibile in spiaggia, oppure ristrutturare casa in modo da renderla efficiente dal punto di vista energetico.
Qui di seguito spiegheremo cos'è l'isolamento termico e come funziona e daremo una classificazione generale dei tipi di isolanti termici, nonché dei migliori materiali isolanti a seconda del tipo di trasmissione di calore da inibire. Per fare in modo che la lezione sia utile a tutti manterremo un occhio fisso sulle relative applicazioni pratiche. ;)
Cos'è l'isolamento termico e quali sono gli isolanti termici
In molti contesti si vuole evitare che un corpo possa scambiare calore con l'ambiente esterno. Pensate ad esempio al thermos del caffè: a cosa serve? Il suo compito è quello di mantenere calda il più a lungo possibile la bevanda che si versa al suo interno. Il thermos funziona quindi da isolante termico.
Definizione di isolante termico
Diciamo che un materiale funge da isolante termico quando impedisce o inibisce lo scambio di calore. Sappiamo che il calore può trasmettersi in tre modi diversi:
- per conduzione, che avviene nei solidi ed è dovuta al trasferimento di energia tra le molecole del reticolo cristallino. Si pensi ad esempio al caso di due corpi a contatto, tra cui uno più caldo e uno più freddo.
- per convezione, quando il movimento della massa dei fluidi porta il calore dalle zone più calde a quelle più fredde. Un buon esempio è fornito dalle correnti marittime, in cui flussi d'acqua più calda si muovono trasferendo calore all'acqua più fredda.
- per irraggiamento, tramite emissione di radiazione elettromagnetica che viene successivamente assorbita da altri corpi e convertita in calore. Un esempio in questo caso è dato dal riscaldamento per esposizione solare.
Un isolante termico è per definizione un materiale che si oppone alla trasmissione del calore in uno o più dei metodi appena elencati.
Definizione di isolamento termico
Con isolamento termico si intende l'insieme dei provvedimenti presi al fine di impedire la trasmissione di calore.
Un ambito di applicazione dell'isolamento termico molto diffuso riguarda l'edilizia, dove è importante fare in modo che gli edifici possano mantenere il più possibile il calore all'interno in inverno e respingere il calore esterno in estate, con il duplice obiettivo di ridurre i costi di riscaldamento e climatizzazione, e di ridurre anche le relative emissioni inquinanti e di gas serra.
Tipi di isolanti termici
Con riferimento alla conduzione, i materiali che vengono impiegati come isolanti termici sono sostanzialmente i cattivi conduttori di calore. Per ciascun materiale è possibile parlare di conducibilità termica, una grandezza che ci permette di capire qual è la capacità di quel materiale di condurre il calore.
A una conducibilità termica elevata corrisponde un materiale che trasmette il calore molto bene. Si parla in tal caso di conduttori termici. I metalli ad esempio fanno parte di tale categoria; sappiamo infatti che, se scaldiamo il fondo di una pentola di acciaio, in poco tempo anche le parti più lontane dalla fiamma diventeranno roventi.
Al contrario i materiali che hanno una bassa conducibilità termica sono cattivi conduttori di calore; in altri termini sono ottimi isolanti termici per conduzione. Possiamo pensare ad esempio alle impugnature delle padelle e delle caffettiere, che sono rivestite da materiali plastici che impediscono al calore di trasmettersi velocemente dal metallo alle mani. Ciò è dovuto al fatto che i materiali plastici sono buoni isolanti termici per conduzione.
Riguardo all'isolamento termico in edilizia si usano materiali spugnosi e leggeri che presentano al loro interno numerose cavità piene d'aria, le quali offrono altresì una buona barriera alla trasmissione del calore per conduzione.
Altri tipi di isolanti termici hanno il compito di riflettere l'irraggiamento e sono costituiti da vere e proprie superfici riflettenti. Ne sono un esempio i pannelli termoriflettenti con cui rivestire le pareti in prossimità dei termosifoni, o ancora le coperte termiche che vengono usate dai soccorritori e che sicuramente avrete visto nelle immagini trasmesse dai media. Sono quelle coperte sottili e dorate con cui si avvolgono persone che hanno subito incidenti, traumi o che sono rimaste al freddo per lungo tempo. Tali coperte, dette isotermiche, sono costituite da due strati di cui uno argentato che riflette il calore e uno dorato che lo trasmette. Nel caso di una persona in ipotermia il lato argentato viene messo a contatto col corpo in modo che possa riflettere e trattenere il calore che esso emette per irraggiamento; quello dorato viene lasciato all'esterno in modo che possa lasciarsi attraversare facilmente dal calore esterno e dai raggi solari.
I thermos, detti più propriamente vasi Dewar, hanno la capacità di opporsi alla trasmissione del calore in tutti e tre i modi con cui il calore può propagarsi. Sono infatti costruiti con doppie pareti di materiali a bassa conducibilità termica per abbattere la conduzione; tra le due pareti viene fatto il vuoto in modo che la mancanza d'aria renda impossibile la conduzione, e infine l'interno delle pareti è rivestito da superfici riflettenti per ridurre al minimo l'irraggiamento.
Un ottimo vaso Dewar è quello che riesce a trattenere il calore al proprio interno molto a lungo. In ogni caso, per quanto l'isolamento sia efficace, bisogna considerare che prima o dopo il calore fluirà all'esterno fino al raggiungimento dell'equilibrio termico con l'ambiente circostante.
Nel campo dell'isolamento edilizio esistono anche isolanti termici a cambiamento di fase, in grado cioè di cambiare stato fisico a temperature attorno ai 20-25 °C. Quando la temperatura aumenta tali materiali sono in grado di assorbire una grande quantità di calore passando dallo stato solido a quello liquido, sottraendo calore all'ambiente ed evitando di surriscaldarsi. Al contrario, quando la temperatura diminuisce, tali materiali passano dallo stato liquido a quello solido rilasciando nell'ambiente la stessa quantità di calore che avevano assorbito precedentemente.
Come potete notare in generale non esiste un miglior isolante termico in assoluto: la scelta del materiale dipende dalle applicazioni e dal tipo di scambio di calore che si vuole inibire.
Ci fermiamo qui. La prossima lezione segna l'inizio di una parte molto importante del corso di Termodinamica: cominceremo lo studio dei gas e in particolare partiremo dalla nozione di gas ideale. Non perdetevela! ;)
Buona Fisica a tutti!
Alessandro Catania (Alex)
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