Decumano Carbon Free: l’anello virtuoso che potrebbe essere applicato a tutti i borghi europei 22/10/2024
Il parametro termico che viene più spesso utilizzato per qualificare un materiale dal punto di vista termico è la sua conduttività termica. Più bassa è la conduttività, migliore è l’isolamento che si può ottenere a parità di spessore dell’isolante. La misura di questo parametro è realizzata generalmente in condizioni stazionarie (temperature e flussi termici costanti nel tempo) utilizzando la legge di Fourier per il calore che è l’analogo della legge di Ohm per la corrente elettrica. Si possono tuttavia considerare anche misure nelle quali le temperature e i flussi cambino col tempo. In questo caso il parametro che meglio descrive il comportamento termico del materiale è la diffusività che è data dal rapporto tra la conduttività e la capacità (termiche). Questo parametro, oltre alle proprietà isolanti, tiene conto anche di quelle di accumulo del calore in un certo volume di materiale. E’ ovvio che la misura di conduttività può essere derivata da quella di diffusività quando sia nota la capacità. Poichè in natura raramente ci si trova in condizioni stazionarie, la misura di diffusività termica può essere interessante di per sé. La superficie terrestre (e così gli edifici) sono soggetti a variazioni di temperatura e flusso termico generati dall’alternanza del giorno e della notte, dalle variazioni del clima e delle stagioni. Queste condizioni periodiche sulla superficie generano oscillazioni della temperatura che si propagano all’interno dei materiali come onde termiche. All’interno della crosta terrestre si possono misurare le variazioni dovute all’alternanza giorno/notte fino a circa un metro di profondità, mentre l’alternanza annuale delle stagioni può essere misurata fino a 20 metri di profondità. Oltre tale limite, la temperatura rimane costante. A partire da misure di temperatura a varie profondità, raccolte in circa 18 anni, Lord Kelvin ha stimato nel 1861 la diffusività del terreno (1). È importante notare come le onde termiche (a differenza delle onde acustiche o elettromagnetiche) si propaghino nel materiale subendo una forte attenuazione, tanto che l’oscillazione della temperatura scompare per distanze pari a circa una lunghezza d’onda. La lunghezza dell’onda termica è proporzionale alla radice quadrata della diffusività per il periodo temporale. Ciò da luogo alle seguenti osservazioni: – l’onda termica prodotta sulla superficie di un materiale si estingue al suo interno per distanze tanto più brevi quanto più è bassa la diffusività. Questo è il motivo della sostanziale costanza di temperatura nelle cantine scavate nel terreno o nella roccia, dove l’elevato spessore del materiale si combina con la bassa diffusività del terreno o della roccia – l’attenuazione delle onde termiche in uno strato di poliuretano o roccia o calcestruzzo del medesimo spessore è sostanzialmente identica, nonostante la conduttività del primo sia più bassa di almeno un ordine di grandezza rispetto agli altri due materiali: la capacità termica gioca infatti un ruolo altrettanto importante nella propagazione del calore in regime non stazionario – è possibile generare onde termiche con diverse lunghezze di penetrazione variando il periodo della sollecitazione sulla superficie – l’onda termica si propaga con una velocità (data dal rapporto tra lunghezza d’onda e periodo) direttamente proporzionale alla radice quadrata della diffusività e inversamente alla radice quadrata del periodo. Nello stesso anno (1861) in cui Lord Kelvin misurava la diffusività del terreno, il fisico svedese Angström proponeva un metodo analogo per la misura della diffusività nei solidi (2). Un barra lunga e sottile del materiale da misurare veniva riscaldata e raffreddata alternativamente con vapore e acqua fredda ad un capo. La temperatura lungo la barra veniva misurata in due punti diversi con due termometri a contatto. Dall’attenuazione della temperatura lungo la barra e dalla differenza di fase nelle oscillazioni di temperatura nei due punti si deduceva il valore di diffusività. All’ITC di Padova è stata realizzata da qualche anno una rivisitazione del metodo di Angström con aggiornamento delle apparacchiature di stimolo e misura (3). La stimolazione avviene ora utilizzando una o più celle ad effetto Peltier (figura 1). La corrente che scorre all’interno del dispositivo porta calore da una faccia all’altra della cella. Rovesciando il verso della corrente, il trasporto di calore viene a sua volta rovesciato. La cella può quindi essere utilizzata sia in raffreddamento sia in riscaldamento, con una faccia in contatto con uno scambiatore di calore termostatato che funge da riferimento e l’altra a contatto col materiale da sollecitare (figura 2). La cella è pilotata da un alimentatore programmabile attraverso computer che è in grado di generare una forma d’onda periodica. La rilevazione dell’onda termica che si propaga lungo il materiale viene fatta per mezzo di una telecamera sensibile alla radiazione infrarossa. L’elevata risoluzione spaziale della camera consente di avere a disposizione molti punti di misura (circa 200) lungo la direzione di propagazione dell’onda termica con evidente miglioramento nella stima statistica del parametro diffusività. Vedi figura 3 per uno schema dell’apparato sperimentale. In figura 4 vengono presentate alcune curve di temperatura rilevate su una lastra di marmo a varie distanze dalla posizione di origine in cui la cella peltier genera l’onda termica. Si noti l’attenuazione dell’ampiezza della sinusoide e la variazione nella fase della stessa al crescere della distanza dall’origine. Nel caso specifico, la misura di diffusività del marmo ha dato un valore in accordo con i dati di letteratura e pari a 1.25*10-6 m2/s,. Da misure di confronto eseguite con varie tecniche sullo stesso campione di materiale si può affermare che la precisione della misura si attesta intorno al 2% (4). Bibliografia (1) W. Thomson (Lord Kelvin). Trans. Roy. Soc. Edin. 22 (1861) 405. (2) A.J. Angström. Ann. Physik, Lpz. 114 (1861) 513. (3) P.G. Bison, A. Muscio, E. Grinzato. Proc. SPIE Thermosense XXI, vol. 3700, pp. 402-408, (1999). (4) P.G. Bison, S. Marinetti, A. Mazzoldi, E. Grinzato, C. Bressan. Infrared Physics & Technology 43, 127, (2002). 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