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La conducibilità termica è una delle proprietà fisiche fondamentali per valutare la capacità di un materiale di limitare il trasferimento di calore. Partendo dai principi della trasmissione del calore e dai dati sperimentali comunemente riportati, questo articolo affronta una domanda centrale:
Quali materiali presentano la conducibilità termica più bassa a temperatura ambiente?
In breve: la risposta
Tra gli isolanti solidi, in condizioni prossime alla temperatura ambiente e alla pressione atmosferica, l’aerogel di silice è ampiamente riconosciuto come uno dei materiali con la conducibilità termica più bassa. A seconda della composizione, della densità, della struttura porosa, delle condizioni di prova e della formulazione, gli aerogel di silice ad alte prestazioni possono presentare valori di conducibilità termica compresi approssimativamente nell’intervallo 0,012–0,020 W/(m·K).
I materassini isolanti in aerogel disponibili in commercio e i prodotti isolanti compositi nanoporosi mostrano in genere valori leggermente più elevati, spesso intorno a 0,015–0,025 W/(m·K) a seconda del prodotto e delle condizioni di prova.
A titolo di confronto, l’aria ferma a temperatura prossima a quella ambiente ha una conducibilità termica di circa 0,026 W/(m·K).
Se si amplia la definizione dal materiale in sé a un sistema isolante ingegnerizzato, i pannelli isolanti sottovuoto (VIP) possono raggiungere conducibilità termiche effettive di circa 0,004–0,008 W/(m·K) riducendo notevolmente il trasferimento di calore in fase gassosa all’interno di un nucleo evacuato.
All’estremo teorico, un vuoto ideale elimina il trasferimento di calore per conduzione e convezione gassosa, sebbene il calore possa comunque essere trasferito tramite irraggiamento e collegamenti strutturali solidi.
Ciò solleva diverse domande interessanti:
Come può un materiale solido raggiungere una conducibilità termica inferiore a quella dell’aria ferma?
E perché gas come l’argon possono migliorare le prestazioni termiche delle vetrate isolanti rispetto all’aria comune?
I. Definizioni e condizioni al contorno
La conducibilità termica, rappresentata da λ, descrive la facilità con cui un materiale conduce il calore ed è tipicamente espressa in W/(m·K).
In generale, quanto più bassa è la conducibilità termica, tanto maggiore è la resistenza del materiale al trasferimento di calore per conduzione in condizioni comparabili.
La conducibilità termica compare come coefficiente di proporzionalità nella legge di Fourier sulla conduzione termica, che mette in relazione il flusso di calore con il gradiente di temperatura.
Tuttavia, è essenziale tenere conto di alcune precisazioni.
1. La conducibilità termica dipende dalla temperatura
La conducibilità termica non dovrebbe essere sempre considerata una costante fissa.
Per molti materiali isolanti, il suo valore varia al variare della temperatura. In numerosi casi, la conducibilità termica tende ad aumentare all’aumentare della temperatura media di prova, sebbene la relazione esatta dipenda dal materiale.
Per questo motivo, ogni valore di λ dichiarato dovrebbe essere accompagnato, ove possibile, dalla relativa temperatura di prova o temperatura media.
2. Il valore misurato dipende dal metodo di prova
La conducibilità termica può variare anche a seconda della preparazione del campione, della densità, dello spessore, del contenuto di umidità, della pressione, dell’orientamento e della tecnica di misurazione.
Tra i metodi di prova internazionali comunemente utilizzati figurano:
ASTM C177 — metodo della piastra calda protetta
ASTM C518 — metodo del misuratore di flusso termico
ISO 8302 — metodo della piastra calda protetta
Nel confronto tra materiali a bassissima conducibilità termica, è importante verificare che i valori siano stati misurati in condizioni comparabili.
3. I materiali porosi presentano molteplici vie di trasferimento del calore
La conducibilità termica effettiva di un isolante poroso riflette, in genere, il contributo di più meccanismi:
Conduzione termica attraverso la struttura solida
Conduzione termica attraverso il gas all’interno dei pori
Possibili effetti convettivi in pori sufficientemente grandi
Trasferimento di calore per irraggiamento attraverso il materiale
La progettazione di isolanti a conducibilità termica estremamente bassa richiede quindi di limitare contemporaneamente più vie di trasferimento del calore.
II. Dai metalli al vuoto: intervalli tipici di conducibilità termica
I seguenti valori sono approssimativi e hanno lo scopo principalmente di illustrare le differenze di ordine di grandezza. Se non diversamente specificato, si riferiscono a condizioni vicine alla temperatura ambiente.
Metalli: circa 10–400+ W/(m·K)
I metalli sono generalmente eccellenti conduttori di calore.
Alcuni valori indicativi sono:
Argento: circa 429 W/(m·K)
Rame: circa 400 W/(m·K)
Alluminio: circa 237 W/(m·K)
L’elevata conducibilità termica dei metalli è dovuta in larga misura all’efficiente trasporto di energia da parte degli elettroni liberi.
Solidi e liquidi comuni: circa 0,1–10 W/(m·K)
Tra i valori indicativi si possono citare:
Vetro: circa 1 W/(m·K)
Acqua liquida: circa 0,6 W/(m·K)
Ghiaccio: circa 2,2 W/(m·K)
Legno trasversalmente alla venatura: circa 0,1–0,25 W/(m·K)
Questi valori sono molto inferiori a quelli di gran parte dei metalli, ma rimangono sensibilmente superiori a quelli degli isolanti ad alte prestazioni.
Isolanti tecnici convenzionali: circa 0,025–0,050 W/(m·K)
Tra gli esempi più comuni figurano:
EPS: circa 0,033–0,040 W/(m·K)
XPS: circa 0,028–0,040 W/(m·K)
Lana minerale: comunemente intorno a 0,030–0,045 W/(m·K)
Isolamento in poliuretano: spesso intorno a 0,020–0,030 W/(m·K), a seconda della formulazione e del gas espandente
Questi materiali ottengono una bassa conducibilità termica soprattutto grazie ai grandi volumi di gas a bassa conducibilità trattenuti nella loro struttura interna.
Aria ferma: circa 0,026 W/(m·K)
L’aria ferma è un importante punto di riferimento nella scienza dell’isolamento.
Molti materiali isolanti tradizionali, sia fibrosi che cellulari, agiscono principalmente intrappolando aria relativamente immobile e limitando la convezione.
Tuttavia, il gas all’interno di quei pori continua a condurre calore.
Questo è uno dei motivi per cui il semplice aumento della porosità non riduce all’infinito la conducibilità termica.
Gas a bassa conducibilità
Alcuni gas presentano una conducibilità termica inferiore a quella dell’aria.
A temperatura ambiente, i valori indicativi sono:
Anidride carbonica: circa 0,016–0,017 W/(m·K)
Argon: circa 0,017–0,018 W/(m·K)
Kripton: circa 0,009–0,010 W/(m·K)
Xenon: circa 0,005–0,006 W/(m·K)
Per questo, gas come l’argon e il kripton sono talvolta impiegati nelle vetrate isolanti ad alte prestazioni.
Tuttavia, la conducibilità termica dei gas è influenzata da diverse proprietà molecolari e non dovrebbe essere spiegata esclusivamente dal peso molecolare.
Isolamento nanoporoso: circa 0,012–0,025 W/(m·K)
I materiali nanoporosi ad alte prestazioni possono ridurre la conduzione termica in fase gassosa al di sotto di quella dell’aria ferma non ostacolata.
Tra questi materiali rientrano:
Aerogel di silice
Materiali nanoporosi a base di silice
Alcuni materiali isolanti nanoporosi flessibili avanzati
Sistemi isolanti compositi nanoporosi
A seconda della formulazione e delle condizioni di prova, queste soluzioni possono presentare valori di conducibilità termica di circa 0,012–0,025 W/(m·K).
Sistemi di isolamento sottovuoto: circa 0,004–0,008 W/(m·K)
I pannelli isolanti sottovuoto possono raggiungere valori di conducibilità termica effettiva notevolmente inferiori, poiché il vuoto interno sopprime fortemente la conduzione e la convezione gassosa.
In condizioni appropriate, i sistemi VIP possono raggiungere valori di circa 0,004–0,008 W/(m·K).
L’isolamento multistrato ad alto vuoto utilizzato nei sistemi aerospaziali e criogenici può raggiungere tassi di trasferimento termico apparenti o equivalenti estremamente bassi. Tuttavia, questi sistemi non dovrebbero essere confrontati direttamente con i comuni materiali isolanti solidi utilizzando un unico valore di conducibilità termica intrinseca, poiché le loro prestazioni dipendono fortemente dal livello di vuoto, dalla configurazione degli strati, dalle temperature ai bordi e dalla geometria del sistema.
III. Perché gli aerogel possono avere una conducibilità termica inferiore a quella dell’aria ferma?
Una delle chiavi sta nella struttura porosa su scala nanometrica.
A temperatura ambiente e pressione atmosferica, le molecole di gas percorrono una distanza media caratteristica tra una collisione e l’altra, nota come cammino libero medio. Per l’aria, questa distanza è dell’ordine di decine di nanometri.
Quando le dimensioni dei pori diventano paragonabili o inferiori al cammino libero medio delle molecole di gas, le collisioni tra le molecole di gas e le pareti dei pori assumono un’importanza sempre maggiore.
Di conseguenza, le molecole di gas diventano meno efficaci nel trasportare l’energia termica attraverso lo spazio poroso.
Questo fenomeno è comunemente associato all’effetto di Knudsen.
In termini semplificati:
Quando i pori diventano sufficientemente piccoli, la conduzione termica in fase gassosa può essere ridotta al di sotto di quella dell’aria ferma senza ostacoli.
Gli aerogel possiedono inoltre tipicamente una porosità molto elevata, che spesso supera il 90%.
Poiché lo scheletro solido occupa solo una piccola frazione del volume totale, anche la conduzione termica in fase solida può essere ridotta.
Allo stesso tempo, la struttura tortuosa dello scheletro solido aumenta la complessità dei percorsi di trasferimento del calore.
Il trasferimento di calore per irraggiamento può essere ulteriormente controllato attraverso la composizione del materiale, la struttura dei pori e, in alcune formulazioni, gli opacizzanti a infrarossi.
L’eccezionalmente bassa conducibilità termica dell’aerogel non deriva quindi da un unico meccanismo.
È il risultato della soppressione combinata di:
conduzione solida, conduzione gassosa, convezione e trasferimento di calore per irraggiamento.
IV. Tre condizioni da considerare quando si parla della “più bassa” conducibilità termica
L’espressione “più bassa conducibilità termica” sembra semplice, ma per effettuare confronti significativi sono necessarie condizioni al contorno chiaramente definite.
Precisazione 1: la temperatura è importante
La conducibilità termica dipende dalla temperatura.
Un materiale che offre prestazioni eccezionali a temperature prossime a quella ambiente può comportarsi in modo diverso a temperature criogeniche o elevate.
A temperature più elevate, il trasferimento di calore per irraggiamento può diventare sempre più importante, mentre a basse temperature i contributi relativi dei diversi meccanismi di trasferimento del calore possono variare.
Pertanto, non esiste una classifica universale significativa senza specificare l’intervallo di temperatura.
Precisazione 2: le proprietà intrinseche del materiale e le prestazioni a livello di sistema sono diverse
L’aerogel è un materiale solido poroso.
Un VIP è un sistema ingegnerizzato contenente un materiale di base all’interno di una barriera a tenuta di gas a pressione ridotta.
L’MLI è un altro sistema che si basa su più strati riflettenti e su un alto vuoto.
I valori di prestazione riportati rappresentano quindi configurazioni fisiche diverse.
Un VIP può raggiungere una conducibilità termica effettiva ben al di sotto di quella del suo materiale di base, ma le sue prestazioni dipendono dal mantenimento del vuoto. Se la barriera viene danneggiata e si perde il vuoto, le prestazioni termiche possono diminuire in modo sostanziale.
Per questo motivo, i valori λ a livello di materiale e la conducibilità termica effettiva a livello di sistema non dovrebbero essere considerati direttamente intercambiabili.
Precisazione 3: la conducibilità più bassa non coincide sempre con la soluzione migliore
Un materiale o un gas con una conducibilità termica estremamente bassa può comunque essere poco adatto all’impiego pratico per ragioni quali:
Costo
Resistenza meccanica
Spessore
Flessibilità
Lavorabilità
Durabilità
Sensibilità all’umidità
Requisiti di vuoto
Requisiti di tenuta
Peso
Sicurezza
Vincoli applicativi
Per esempio, lo xenon possiede una conducibilità termica molto bassa, ma il costo elevato ne limita l’impiego su larga scala.
Allo stesso modo, i pannelli isolanti sottovuoto offrono prestazioni termiche eccezionali, ma richiedono un involucro sigillato sottovuoto e sono vulnerabili a forature o danni alla barriera.
Pertanto, gli ingegneri solitamente pongono una domanda più ampia:
Quale materiale offre il miglior equilibrio tra conducibilità termica, spessore, peso, durabilità, lavorabilità, costo e compatibilità applicativa?
V. Una prospettiva ingegneristica sui materiali a conducibilità termica estremamente bassa
Se la discussione si limita ai materiali isolanti in grado di funzionare come strati di materiale solido o flessibile a temperature prossime a quella ambiente, emergono diverse categorie.
Aerogel di silice
L’aerogel di silice è tra i materiali solidi più noti con conducibilità termica ultra-bassa.
Nei prodotti ad alte prestazioni, i valori possono collocarsi indicativamente nell’intervallo 0,012–0,020 W/(m·K).
Tuttavia, l’aerogel di silice monolitico convenzionale è intrinsecamente fragile.
Per le applicazioni ingegneristiche pratiche, l’aerogel viene quindi spesso integrato in materassini isolanti, fibre o strutture composite per migliorarne la maneggevolezza e la durabilità meccanica.
Isolamento nanoporoso flessibile
I materiali nanoporosi flessibili rappresentano un altro approccio per combinare la bassa conducibilità termica con la flessibilità meccanica e la lavorabilità.
Nell’abbigliamento e nelle calzature, le caratteristiche seguenti possono essere importanti quanto il raggiungimento del valore di λ più basso in assoluto:
Flessibilità
Possibilità di cucitura
Possibilità di taglio
Spessore ridotto
Gestione dell’umidità
Durabilità
Ad esempio, Y-Warm, un materiale isolante termico nanoporoso flessibile, presenta una conducibilità termica di circa 0,020 W/(m·K) in condizioni di prova specificate.
Il suo significato ingegneristico non risiede quindi semplicemente nel perseguire la conducibilità termica più bassa possibile, ma nel combinare una bassa conducibilità termica con flessibilità, spessore ridotto e compatibilità con la fabbricazione di prodotti da indossare.
Schiuma di poliuretano
Gli isolanti rigidi in poliuretano ad alte prestazioni presentano generalmente una conducibilità termica di circa 0,020–0,030 W/(m·K), a seconda della formulazione, dell’agente espandente, della densità, della temperatura e delle condizioni di invecchiamento.
Il poliuretano espanso rigido rimane uno dei materiali isolanti convenzionali ad alte prestazioni più ampiamente utilizzati, in particolare nell’edilizia, nella refrigerazione e nelle applicazioni industriali.
Conclusione
Non esiste una risposta univoca alla domanda:
“Quale materiale ha la conducibilità termica più bassa?”
La risposta dipende da ciò che si intende confrontare:
Materiali puri
Materiali compositi
Gas
Solidi porosi
Sistemi di isolamento assistiti dal vuoto
Sistemi criogenici
Prodotti ingegneristici destinati a condizioni prossime alla temperatura ambiente
A temperatura ambiente, l’aerogel di silice e altri materiali nanoporosi ad alte prestazioni rientrano tra gli isolanti solidi con la conducibilità termica più bassa conosciuta. I sistemi sottovuoto possono invece raggiungere valori effettivi ancora inferiori, riducendo il trasferimento di calore in fase gassosa.
Da un punto di vista ingegneristico, tuttavia, la domanda più importante di solito non è:
Quale materiale ha la conducibilità termica più bassa in assoluto?
ma piuttosto:
Quale materiale fornisce le prestazioni termiche richieste soddisfacendo al contempo i requisiti dell’applicazione in termini di spessore, peso, flessibilità, durabilità, producibilità, sicurezza e costo?
Tale distinzione è essenziale quando si passa dalle proprietà dei materiali in laboratorio alla progettazione dell’isolamento termico nel mondo reale.
FAQ | Domande frequenti
1. Quale materiale isolante solido ha la conducibilità termica più bassa a temperatura ambiente?
L’aerogel di silice è tra gli isolanti solidi con la conducibilità termica più bassa conosciuta. A temperatura ambiente e pressione atmosferica, gli aerogel di silice ad alte prestazioni possono presentare valori di circa 0,012–0,020 W/(m·K), in funzione della composizione, della densità, della struttura porosa e delle condizioni di prova.
2. Perché un pannello isolante sottovuoto può avere una conducibilità termica effettiva inferiore a quella dell’aerogel?
Nei pannelli isolanti sottovuoto (VIP), il vuoto riduce fortemente la conduzione e la convezione gassosa, consentendo valori effettivi di circa 0,004–0,008 W/(m·K) in condizioni appropriate. Il valore di un sistema VIP non è tuttavia direttamente intercambiabile con la conducibilità termica intrinseca di un materiale solido.
3. Come può un aerogel isolare meglio dell’aria ferma?
Quando i pori sono sufficientemente piccoli rispetto al cammino libero medio delle molecole di gas, le collisioni con le pareti dei pori ostacolano la conduzione termica gassosa: è il fenomeno associato all’effetto di Knudsen. Contribuiscono anche la ridotta conduzione nel solido, la limitazione della convezione e il controllo del trasferimento per irraggiamento.
4. Perché argon e kripton vengono utilizzati nei vetri isolanti?
A temperatura ambiente, l’argon presenta una conducibilità termica di circa 0,017–0,018 W/(m·K) e il kripton di circa 0,009–0,010 W/(m·K), valori inferiori a quello dell’aria ferma, pari a circa 0,026 W/(m·K). Per questo possono contribuire a migliorare le prestazioni termiche delle vetrate isolanti.
5. Il materiale con la conducibilità termica più bassa è sempre la scelta migliore?
Non necessariamente. In un’applicazione reale occorre valutare anche spessore, peso, flessibilità, durabilità, lavorabilità, sensibilità all’umidità, sicurezza e costo. Y-Warm, per esempio, presenta una conducibilità termica di circa 0,020 W/(m·K) in condizioni di prova specificate; il suo interesse applicativo riguarda anche flessibilità, spessore ridotto e compatibilità con la fabbricazione di prodotti da
