9 CONDUTTORI DI CALORE E LORO CARATTERISTICHE - SCIENZA - 2024

I conduttori di calore sono materiali la cui struttura è tale che il calore può attraversarli facilmente. Va ricordato che tutta la materia è composta da atomi e molecole in costante movimento vibratorio, e che il calore si traduce in una maggiore agitazione di queste particelle.

Alcuni materiali conducono il calore meglio di altri, perché la loro configurazione interna facilita questo flusso di energia. Il legno, ad esempio, non è un buon conduttore di calore perché impiega molto tempo a riscaldarsi. D'altra parte, il ferro, il rame e altri metalli lo sono, il che significa che le loro particelle acquisiscono energia cinetica molto rapidamente.

Il grasso termico utilizzato nei chip dei computer è un buon conduttore di calore, ma non di elettricità. Fonte: Wikimedia Commons.

Questo è il motivo per cui i metalli sono i preferiti per realizzare utensili da cucina, come pentole e padelle. Si riscaldano rapidamente e raggiungono temperature sufficientemente elevate da consentire una corretta cottura del cibo.

Tuttavia le maniglie e le maniglie, che sono a contatto con le mani dell'utente, sono realizzate con altri materiali termoisolanti. In questo modo le pentole sono maneggevoli anche quando sono calde.

Tipi di conduttori

A seconda del loro modo di condurre il calore, i materiali sono classificati in:

- Conduttori termici : diamante e metalli come rame, ferro, zinco e alluminio, tra gli altri. Di solito buoni conduttori di elettricità sono anche buoni conduttori di calore.

- Isolanti termici : legno, gomma, fibra di vetro, plastica, carta, lana, anime, sughero, polimeri sono buoni esempi. Neanche i gas sono buoni conduttori.

Conduttività termica dei materiali

La proprietà che caratterizza intrinsecamente il modo in cui ciascuno di essi conduce il calore è chiamata conducibilità termica. Maggiore è la conducibilità termica di una sostanza, migliore è la conduzione del calore.

La conducibilità termica delle sostanze viene determinata sperimentalmente. Nel Sistema internazionale di unità SI, la conducibilità termica è misurata in Watt / (metro x kelvin) o W / (mK). Viene interpretato come segue:

Un'altra unità per la conducibilità termica utilizzata nei paesi anglosassoni è BTUH / (ft.ºF), dove BTUH sta per British Thermal Unit per ora.

Il calore scorre attraverso il solido quando c'è una differenza di temperatura tra le sue estremità. Fonte: Wikimedia Commons.

Valori di conducibilità termica

Di seguito sono riportate le conducibilità termiche di alcuni elementi e materiali presenti in natura e che sono frequentemente utilizzati nell'industria.

Tuttavia, va notato che esistono composti sintetici, ancora in fase sperimentale, la cui conducibilità termica supera di gran lunga quella del diamante, che è in testa alla classifica.

La temperatura è determinante nel valore della conducibilità termica dei metalli. All'aumentare della temperatura, aumenta anche la conduttività termica (sebbene la conduttività elettrica diminuisca). Per i non metalli, la conducibilità termica è approssimativamente costante in un ampio intervallo di temperature.

I valori nella tabella sono specificati a 25ºC e 1 pressione atmosferica.

Quando si seleziona un materiale per le sue proprietà termiche, è necessario tenere conto del fatto che si espande con il calore. Questa capacità è data dal coefficiente di dilatazione termica.

Principali conduttori di calore

Diamante

Il diamante è il miglior conduttore termico in natura. Fonte: Robert Lavinsky tramite Wikimedia Commons.

È il miglior conduttore termico a temperatura ambiente, molto meglio del rame e di qualsiasi altro metallo. Nel diamante, che è un isolante elettrico, il calore non fluisce attraverso gli elettroni di conduzione ma attraverso la propagazione delle vibrazioni nella sua struttura cristallina altamente organizzata. Queste vibrazioni sono chiamate fononi.

Ha anche un basso coefficiente di espansione termica, il che significa che le sue dimensioni rimarranno vicine a quelle originali quando riscaldate. Quando è richiesto un buon conduttore di calore che non conduca elettricità, il diamante è l'opzione migliore.

Di conseguenza, è ampiamente utilizzato per rimuovere il calore prodotto dai circuiti nei computer e altri dispositivi elettronici. Ma ha un grande svantaggio: è estremamente costoso. Sebbene ci siano diamanti sintetici, non sono facili da realizzare e sono anche costosi.

Argento

Monete d'argento

È un metallo molto apprezzato per la decorazione grazie alla sua lucentezza, colore e malleabilità. È resistente all'ossidazione e tra tutti i metalli è quello con la più alta conducibilità termica, oltre che un'ottima conducibilità elettrica.

Per questo motivo trova molteplici applicazioni nell'industria, sia da solo che in leghe con altri elementi come nichel e palladio.

Con argento puro, vengono realizzati circuiti stampati, cavi superconduttori per alte temperature e vengono rivestiti i conduttori utilizzati nell'elettronica, oltre ad essere utilizzati in lega per realizzare contatti elettrici.

Ha lo svantaggio di essere relativamente scarso e quindi costoso, ma la combinazione unica di proprietà fisiche per queste applicazioni lo rende un'ottima alternativa, poiché è molto flessibile e con esso si ottengono conduttori di buona lunghezza.

Rame

Fili di rame

È uno dei metalli più utilizzati quando è richiesta una buona conducibilità termica, perché non si corrode facilmente e il suo punto di fusione è piuttosto alto, il che significa che non si scioglierà facilmente se esposto al calore.

Altri vantaggi che ha è la sua duttilità, oltre a non essere magnetico. Il rame è riciclabile ed è molto meno costoso dell'argento. Tuttavia, il suo coefficiente di espansione termica è elevato, il che significa che le sue dimensioni cambiano sensibilmente quando vengono riscaldate.

Grazie alle sue buone proprietà termiche, è ampiamente utilizzato negli utensili da cucina, come ad esempio pentole di rame ricoperte di acciaio. Anche per produrre scambiatori di calore in serbatoi di acqua calda, in impianti di riscaldamento centralizzato, radiatori per auto e per dissipare il calore in dispositivi elettronici.

Oro

Maschera d'oro preispanica

È il metallo prezioso per eccellenza e occupa un posto preponderante nella storia dell'umanità. Oltre a questo significato speciale, l'oro è malleabile, resistente e un ottimo conduttore di calore ed elettricità.

Poiché l'oro non si corrode, viene utilizzato per trasportare piccole correnti nei componenti elettronici a stato solido. Queste correnti sono così piccole da poter essere facilmente interrotte al minimo segno di corrosione, motivo per cui l'oro garantisce componenti elettronici affidabili.

Viene anche utilizzato per produrre connettori per cuffie, contatti, relè e cavi patch. Dispositivi come smartphone, calcolatrici, laptop e desktop e televisori contengono piccole quantità di oro.

Gli speciali vetri per il condizionamento degli ambienti contengono anche oro disperso, in modo tale da aiutare a riflettere la radiazione solare all'esterno, mantenendo la freschezza all'interno quando fa molto caldo. Allo stesso modo, aiutano a mantenere il calore interno dell'edificio quando è inverno.

Litio

Batteria agli ioni di litio. Autore: Mr. ち ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * photography day, agosto 2005 * fotografo Aney. Fonte: Wikimedia Commons.

È il più leggero di tutti i metalli, sebbene molto reattivo, quindi si corrode facilmente. Devi anche maneggiarlo con molta cautela, perché è altamente infiammabile. Per questo, sebbene sia abbondante, non si trova allo stato libero ma in composti, motivo per cui deve essere isolato generalmente con metodi elettrolitici.

La sua conduttività termica è simile a quella dell'oro, ma è molto più economica di questa. Il carbonato di litio è un composto utilizzato nella produzione di vetro e ceramica resistenti al calore.

Un altro uso diffuso del litio è la produzione di batterie leggere e di lunga durata, per le quali viene utilizzato il cloruro di litio per estrarre il litio metallico. Aggiunto nella lavorazione dell'alluminio, ne aumenta la conduttività elettrica e abbassa le temperature di esercizio.

Alluminio

Secchio di metallo in alluminio. Fonte: Carsten Niehaus

Questo metallo leggero, economico, altamente resistente e facile da lavorare è uno dei principali materiali utilizzati per realizzare scambiatori di calore nelle apparecchiature di condizionamento dell'aria, come condizionatori d'aria e riscaldatori.

Sia a livello nazionale che industriale, gli utensili in alluminio sono ampiamente utilizzati nelle cucine di tutto il mondo.

Utensili in alluminio come pentole, padelle e teglie sono estremamente efficienti. Non modificano il sapore del cibo e consentono al calore di diffondersi rapidamente e in modo uniforme durante la cottura.

Indipendentemente da ciò, pentole e padelle in alluminio sono state sostituite dall'acciaio inossidabile, che non è un buon conduttore di calore. Questo perché l'acciaio inossidabile non reagisce con acidi più forti, come ad esempio la salsa di pomodoro.

Ecco perché è preferibile fare le salse di pomodoro in utensili di acciaio, per evitare che l'alluminio entri negli alimenti, poiché alcuni hanno associato l'alluminio - presente in antiacidi, talchi, deodoranti e molti altri prodotti - con la comparsa di malattie degenerative, sebbene la maggior parte degli esperti, così come la FDA, respinga questa ipotesi.

Pentola in alluminio in primo piano. Fonte: Pixabay.

Le pentole in alluminio anodizzato non hanno il rischio di rilasciare particelle di alluminio e in linea di principio possono essere utilizzate con maggiore sicurezza.

Bronzo

Il bronzo di queste antiche campane dimostra l'utilità dei metalli per scopi ornamentali o religiosi. Fonte: Pxhere.

Il bronzo è una lega principalmente di rame e stagno, con altri metalli in misura minore. È presente fin dall'antichità nella storia dell'umanità.

È così importante che un periodo della preistoria sia stato persino chiamato l'età del bronzo, l'epoca in cui le persone scoprirono e iniziarono a utilizzare le proprietà di questa lega.

Il bronzo è resistente alla corrosione e facile da lavorare. Inizialmente era utilizzato per realizzare vari utensili, strumenti, gioielli, oggetti d'arte (sculture per esempio) e armi, nonché per coniare monete. Ancora oggi è utilizzato per realizzare pipe, parti meccaniche e strumenti musicali.

Zinco

Vetro dell'orologio con ossido di zinco. Fonte: Adam Rędzikowski

È un metallo bianco-bluastro molto malleabile e duttile, facile da lavorare, anche se con un basso punto di fusione. È noto fin dall'antichità, utilizzato principalmente nelle leghe.

Attualmente è utilizzato per galvanizzare l'acciaio e proteggerlo così dalla corrosione. Anche per la produzione di batterie, pigmenti e produzione di lastre di zinco speciali per l'industria delle costruzioni.

Ferro

La limatura di ferro su una calamita. Fonte: Aney tramite Commons Wikimedia.

Il ferro è un altro metallo con un grande significato storico. Come il bronzo, il ferro è legato a una fase della preistoria in cui si sono verificati grandi progressi tecnologici: l'età del ferro.

Oggi la ghisa continua ad avere molte applicazioni per realizzare utensili, utensili, nell'edilizia e come materiale per la fabbricazione di parti automobilistiche.

Il ferro è un ottimo conduttore di calore, come abbiamo visto. Gli oggetti in ferro distribuiscono molto bene il calore e lo conservano a lungo. Possiede inoltre un elevato punto di fusione, che lo rende resistente alle alte temperature, da qui la sua utilità nella realizzazione di tutti i tipi di forni, sia industriali che domestici.

Riferimenti

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