Le parole della tecnologia: la conducibilità termica

Lavorazione dell’alluminio.

Durante le lavorazioni si genera calore, che deve essere dissipato a una velocità tale da non provocare un aumento della temperatura a livelli indesiderati.

Cosa aiuta a capire come si dissiperà il calore durante una lavorazione per asportazione di truciolo? La conducibilità termica è una caratteristica che indica la velocità con
cui il calore fluisce dentro e attraverso il materiale [Kalpakjian, Schmid]. Questo significa che, quando si genera calore, è importante che questo venga dissipato a una velocità sufficientemente elevata da scongiurare un aumento della temperatura, che, oltre a generare indesiderati e dannosi gradienti termici, può causare sia deformazioni nel pezzo sia danni all’utensile. In sostanza, non tenere in debito conto la conducibilità termica può incidere pesantemente sui risultati del processo produttivo.

Un materiale con una bassa conducibilità è il titanio (e le sue leghe). Proprio a causa di questa caratteristica, durante la lavorazione, si hanno aumenti di temperatura importanti e la formazione del tagliente di riporto, che spingono a considerare questo materiale come di difficile lavorabilità. Discorso diametralmente opposto vale, per esempio, per le leghe di alluminio, per quanto la lavorazione richieda altro tipo di attenzioni. In linea generale, i materiali che hanno legami metallici hanno alta conducibilità mentre quelli con legami ionici o covalenti, come le plastiche o i materiali ceramici, la hanno bassa. Nella pratica industriale, una grande differenza la fanno comunque gli elementi leganti, che possono variare significativamente il valore della conducibilità della lega.

Conducibilità e temperatura

In un materiale omogeneo, si definisce conducibilità termica il flusso termico che si trasmette attraverso una barra di lunghezza unitaria, avente sezione unitaria e sottoposta a una differenza di temperatura unitaria generalmente indicata con λ. Nel Sistema Internazionale si misura:

[λ]= [W/mK]

Potrebbe sembrare qualcosa di molto complesso, ma in realtà si sta semplicemente valutando quanta energia riesce a fluire attraverso un materiale, in pratica, la capacità del materiale di condurre calore. La conducibilità termica λ dei materiali è funzione della temperatura e quindi si ha:

λ= λ(T)

Per alcuni materiali la conducibilità aumenta all’aumentare della temperatura, mentre per altri diminuisce. Quindi, la relazione con la temperatura complica notevolmente lo studio dei problemi di conduzione termica, in particolare quando si tratta di leghe e/o di materiali accoppiati, come i compositi.

Introducendo una semplificazione, in prima approssimazione si ritiene lecito considerare λ=cost, svincolando quindi il problema dalla variazione di temperatura legata alla presenza di materiali differenti. Il valore di λ, oltre a variare col materiale, dipende anche dal suo stato, oltre che dalla pressione e degli eventuali trattamenti termici subiti che influenzano la struttura del materiale stesso.

È importante sottolineare come la conducibilità termica dipende solo dalla natura del materiale, e non dalla forma del manufatto. Si tratta di una grandezza il cui valore è fondamentale per capire e valutare sia il comportamento in esercizio del manufatto (o della struttura), sia il processo produttivo più idoneo. Se la conducibilità termica λ è elevata, il materiale è un buon conduttore di calore. Al contrario, se λ è basso, il materiale è un cattivo conduttore di calore, fino a diventare un isolante termico e quindi con potere coibentante.