Materiali termici altamente isolanti

Esiste un contenitore (con all'interno del mercurio) costruito con un materiale termico isolante in grado di mantenere costante la temperatura interna anche se si trova a contatto con un ambiente a una temperatura inferiore a 0°C o di - 60°C?
Rosanna Giardina
22 aprile 2003
La questione sollevata dalla lettrice, posta nei termini perentori in cui è presentata, ha una risposta negativa.
Ponendo infatti un corpo a una certa temperatura T1 in contatto con un altro corpo a temperatura T2 (diversa da T1) il sistema nel suo insieme evolve in direzione dell'equilibrio termico, raggiungendo una temperatura T0 intermedia tra T1 e T2.
L'unico modo di prevenire questa equilibrazione termica è quello di interporre tra i due corpi una parete adiabatica, cioè un materiale caratterizzato da una conducibilità termica nulla.
Le pareti adiabatiche, tuttavia, anche se fondamentali nello sviluppo della teoria termodinamica classica, sono una pura astrazione. Non esistono (e, come vedremo, non possono esistere) materiali caratterizzati da conducibilità termica nulla. Pertanto, in un lasso di tempo più o meno lungo, il mercurio (o qualunque altra cosa) presente nel contenitore si raffredderà, raggiungendo la temperatura dell'ambiente con cui esso è in contatto.
L'impossibilità di realizzare pareti adiabatiche consegue immediatamente dall'analisi dei meccanismi responsabili del trasporto di energia termica.
Tre meccanismi sono in generale attivi: il trasporto per conduzione, per convezione e per irraggiamento. Il trasporto di calore per conduzione è caratteristico dei solidi, ed è associato al trasferimento di energia (a livello atomico) dovuto alla presenza di elettroni liberi (come nei metalli) e/o alle vibrazioni atomiche. Il meccanismo di convezione è viceversa tipico dei fluidi (gas e liquidi) ed è connesso con il libero moto atomico o molecolare. Infine l'irraggiamento veicola energia termica attraverso l'emissione/assorbimento di radiazione elettromagnetica.
Nel caso di una parete (ovviamente solida) la scelta di un materiale termicamente isolante si indirizza pertanto verso materiali non metallici. Ma anche il migliore isolante elettrico, essendo costituito da atomi, dà luogo a trasporto di calore per conduzione associato all'eccitazione dei modi vibrazionali, che non possono non essere presenti dato che ogni solido è costituito da atomi. Ne viene pertanto che il modo migliore per realizzare pareti quasi adiabatiche è di lavorare con un materiale che non c'è: il vuoto. I thermos di uso domestico (o i loro equivalenti scientifici, i dewar) impiegano una strategia di isolamento basata sull'uso di una doppia parete, ovvero sfruttano un'intercapedine in cui è realizzato il vuoto. In condizioni ordinarie è possibile ottenere così conducibilità termiche molto basse, ma comunque non nulle.
Riporto di seguito nella tabella alcuni valori tipici di conducibilità termica per solidi, gas e per una parete di dewar di impiego tecnico-scientifico.

MaterialeConducibilità termica
(W m-1 K-1)
Argento 406.0
Rame 385.0
Mercurio8.3
Vetro 0.8
Cemento 0.8
Lana 0.04
Aria (a 0°C) 0.024
Dewar (medio vuoto)0.0004

Laddove l'uso di intercapedini evacuate non sia possibile, i materiali che vengono impiegati sono sostanzialmente succedanei del vuoto, ovvero materiali caratterizzati da cavità microscopiche o macroscopiche.
Schiume solide raggiungono correntemente valori di conducibilità termica confrontabili con quelle dei gas, e costituiscono un'alternativa interessante ai dewar convenzionali. Tornando dunque alla domanda della lettrice, sarebbe opportuno riformularla quantificando la tolleranza sulla temperatura cui deve restare il suo mercurio e i tempi sui quali la temperatura deve mantenersi nei limiti fissati. In questo modo risulterebbe possibile procedere a una valutazione della conducibilità termica massima ammissibile per la parete e a una scelta del materiale (o della strategia) di isolamento termico ottimale.
Per ulteriori approfondimenti raccomando due siti (in inglese) che affrontano le tematiche del trasporto di calore:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
http://scienceworld.wolfram.com/physics/topics/Thermodynamics.html
Per un'applicazione di punta dell'isolamento termico può essere invece interessante dare un'occhiata a questa pagina (dal sito della NASA):
http://technology.ksc.nasa.gov/WWWaccess/techreports/97report/03-ME/me05.html

Dario Narducci Dipartimento di Scienza dei Materiali, Università di Milano Bicocca

© Copyright SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - Trieste (Italy) - 2001-2011