Una maniglia metallica esposta al calore può diventare calda nella zona impugnata prima di una maniglia in legno nelle stesse condizioni. L’energia ricevuta in un punto, infatti, si distribuisce con maggiore efficacia attraverso il metallo. La superficie non produce più calore: lo riceve rapidamente dalle parti più calde del componente.
Come si trasferisce il calore dentro un metallo
Quando due zone dello stesso oggetto hanno temperature diverse, l’energia termica tende a passare dalla zona più calda a quella più fredda. Nei solidi questo trasferimento interno avviene soprattutto per conduzione: non c’è lo spostamento di una massa di materiale, come accade invece nella convezione di un liquido o di un gas.
Nel solido metallico gli atomi occupano posizioni organizzate in un reticolo e vibrano intorno alle loro posizioni di equilibrio. Nella parte riscaldata le vibrazioni sono più intense e possono trasmettere energia alle regioni vicine. Questo contributo reticolare esiste anche in altri solidi, ma nei metalli è affiancato da un secondo canale particolarmente efficace.
Gli elettroni delocalizzati, cioè non legati in modo esclusivo a un singolo atomo, possono muoversi attraverso il reticolo. Interagendo con la zona calda acquistano energia e contribuiscono in modo importante a redistribuirla nel materiale. Il trasferimento deriva quindi dall’azione combinata degli elettroni mobili e delle vibrazioni del reticolo, con un peso relativo che cambia da un materiale all’altro. Un inquadramento fisico di questi processi è disponibile nelle dispense universitarie sulle proprietà termiche dei materiali.
Conduzione termica ed elettrica sono collegate, ma non identiche
La presenza di elettroni mobili aiuta a capire perché molti metalli siano buoni conduttori sia di elettricità sia di calore. Nei due casi, però, cambia ciò che viene trasportato e la causa del movimento.
Nella conduzione elettrica si considera il movimento delle cariche in risposta a un campo elettrico. Nella conduzione termica interessa invece il trasferimento di energia prodotto da una differenza di temperatura. Le due proprietà possono essere correlate perché coinvolgono gli stessi elettroni mobili, ma non sono sinonimi e non rimangono necessariamente proporzionali in ogni metallo, lega o condizione.
Che cosa misura la conducibilità termica
La conducibilità termica, indicata di solito con k oppure con la lettera greca λ, esprime quanto efficacemente un materiale trasferisce calore per conduzione. L’unità comunemente impiegata è il watt per metro e kelvin, W/(m·K). A parità di geometria e differenza di temperatura, un valore più alto corrisponde a un flusso di calore maggiore attraverso il materiale.
Questa proprietà non coincide con il tempo necessario affinché un intero oggetto raggiunga una determinata temperatura. Il comportamento di un componente reale dipende anche da massa, capacità termica, spessore, forma, qualità del contatto con la fonte e temperatura. Una lamina sottile e un blocco massiccio dello stesso metallo hanno la stessa conducibilità nelle medesime condizioni, ma non si riscaldano nello stesso modo.
Perché non tutti i metalli conducono allo stesso modo
La categoria “metallo” comprende materiali con composizioni e strutture differenti. Queste differenze cambiano l’ambiente attraversato dagli elettroni e il modo in cui si propagano le vibrazioni del reticolo. Contano quindi il tipo di metallo, la struttura, lo stato del materiale e la temperatura.
Anche purezza e composizione hanno un ruolo. In un metallo puro gli atomi appartengono principalmente allo stesso elemento; in una lega sono presenti elementi diversi, distribuiti secondo una determinata struttura. Cambiando la composizione cambiano anche le interazioni incontrate dai portatori di energia. Per questo la conducibilità della lega non può essere ricavata automaticamente da quella del suo principale metallo di base.
Una tabella didattica espressa in W/(cm·°C) riporta, per esempio, 4,3 per l’argento, 4,0 per il rame, 3,2 per l’oro, 2,4 per l’alluminio, 1,1 per l’ottone e 0,8 per ferro e acciaio. Entro quel confronto, argento e rame risultano più conduttivi dell’alluminio, mentre l’alluminio supera ottone e acciaio.
Questi numeri mostrano quanto possa essere ampia la variazione interna alla famiglia dei metalli. Non costituiscono però una classifica universale di qualsiasi pezzo reale: i valori devono essere confrontati nella stessa unità e in condizioni compatibili, mentre le prestazioni di un componente dipendono anche dalla sua geometria e dal modo in cui viene utilizzato.
Dal materiale alla funzione del componente
Quando occorre allontanare energia da una zona calda, un metallo ad alta conducibilità permette di distribuire il calore su una superficie più ampia e di ridurre la concentrazione in un solo punto. È il principio sfruttato nei dissipatori e nelle parti metalliche destinate a diffondere il calore.
La stessa rapidità di trasferimento richiede attenzione quando una superficie può essere toccata. Una maniglia interamente metallica può portare il calore dalla zona collegata al recipiente fino alla mano; un materiale poco conduttivo rallenta invece questo percorso. Un isolante non elimina necessariamente il passaggio di energia, ma lo rende meno efficace.
La buona conduzione termica dei metalli è dunque una proprietà funzionale, non un vantaggio assoluto: può proteggere un dispositivo dissipando il calore oppure rendere pericolosa una superficie, accelerando il trasferimento verso il punto di contatto.
