Introduzione
I materiali per l'isolamento termico sono fondamentali per ridurre al minimo le perdite di calore e garantire condizioni di temperatura stabili nei sistemi tecnici. La loro conducibilità termica viene spesso caratterizzata con precisione utilizzando metodi stazionari, come il metodo Guarded Hot Plate (GHP). Queste indagini sono importanti non solo nella ricerca sui materiali, ma anche nei viaggi spaziali, dove i materiali isolanti vengono utilizzati nel vuoto con fluttuazioni di temperatura estreme. Le misurazioni GHP forniscono, tra l'altro, dati preziosi per la progettazione termica e la valutazione delle prestazioni.
La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva dei materiali isolanti fibrosi (ad esempio, la lana di vetro) dipende principalmente da tre meccanismi di trasferimento del calore:
- Trasferimento di calore attraverso il solido
- Trasferimento di calore per irraggiamento
- Trasferimento di calore attraverso la fase gassosa
A seconda della temperatura, della densità e dei gas presenti nel materiale isolante, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva può variare notevolmente.
Questa nota applicativa si concentra su diverse atmosfere. La lana di vetro standard (NIST SRM 1450D), che ha una Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica nota nell'aria, è stata testata in GHP 456 Titan®. Il dispositivo è dotato di una fornace che consente di utilizzare diversi gas di spurgo e di effettuare misure a pressione ridotta.
Sperimentale
Il materiale NIST SRM 1450D è stato esaminato a temperature medie del campione (Tmean) comprese tra 10°C e 60°C con una differenza di temperatura (ΔT) di 20 K tra le piastre di misura. Le misure sono state eseguite con diversi gas (argon, azoto, elio) a diverse pressioni (da 0,01 mbar a 1000 mbar circa). Prima di ogni misurazione con un altro gas, il dispositivo (compreso il campione) è stato evacuato due volte e spurgato con il nuovo gas.
Risultati e discussione
La Figura 1 mostra la conducibilità termica del campione in diversi gas di lavaggio (azoto, argon ed elio). I risultati delle misure sono riassunti nella tabella 1.
Tabella 1: Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.Conduttività termica della lana di vetro standard (NIST SRM 1450D), determinata in diversi gas di lavaggio, in confronto con la letteratura
| Temperatura °C | (W/m-K) | |||
| Letteratura [2] | N2 | Ar | He | |
| 10 | 0.0313 | 0.0312 | 0.0224 | 0.1590 |
| 20 | 0.0324 | 0.0324 | 0.0233 | 0.1631 |
| 40 | 0.0346 | 0.0345 | 0.025 | 0.1708 |
| 60 | 0.03868 | 0.0366 | 0.0267 | 0.1785 |
Poiché la lana di vetro è un sistema a pori aperti, il gas di lavaggio penetra nel materiale e ne modifica la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva. La conducibilità termica dell'aria e dell'azoto è quasi identica (vedi tabella 2). Come previsto, non si rilevano differenze significative tra i valori di riferimento per la lana di vetro e le misurazioni sotto azoto. L'argon, invece, ha una conducibilità termica significativamente più bassa dell'azoto (circa il 31% in meno), come dimostra la misurazione della conducibilità termica della lana di vetro con spurgo di argon. I valori misurati sono inferiori di circa il 28% rispetto a quelli ottenuti con l'azoto.
A differenza dell'argon, l'elio ha una conducibilità termica significativamente superiore a quella dell'azoto. La conducibilità termica effettiva della lana di vetro con spurgo di elio è circa quattro volte superiore a quella dell'azoto o dell'aria.
La Figura 2 illustra come la pressione influisca sulla Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica dei materiali isolanti a poro aperto. Mostra la conducibilità termica della lana di vetro a diverse temperature. La curva a S è tipica delle misurazioni dipendenti dalla pressione. Mostra chiaramente che la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del gas della cella influenza in modo significativo la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva e che esiste una dipendenza sostanziale dalla pressione al di sotto di una certa soglia (circa 300 mbar). Ciò può essere spiegato dalla lunghezza del percorso libero delle molecole o degli atomi del gas.
Il trasferimento di calore all'interno di un gas è determinato principalmente dal numero di particelle e dal percorso libero medio tra di esse. A pressioni leggermente inferiori, il percorso libero medio aumenta, ma il numero di particelle diminuisce. Pertanto, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica rimane costante. Tuttavia, questo non vale più a pressioni molto basse [3]. A partire da un certo punto (in questo caso, circa 300 mbar), le particelle non sono sufficienti per scontrarsi e la lunghezza del percorso libero medio rientra nell'intervallo dei diametri dei pori. A partire da questo punto, il trasferimento di calore nel gas dipende esclusivamente dal numero di particelle del gas. Se il numero di particelle diminuisce a causa della minore pressione, il trasferimento di calore attraverso il gas diminuisce significativamente, così come la conducibilità termica effettiva dell'intero materiale.
Sintesi
A causa della loro struttura, la conducibilità termica dei materiali isolanti dipende fortemente dalla pressione e dal gas della cella. GHP 456 Titan® è il dispositivo di misura ideale per determinare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva in queste condizioni difficili. Grazie al suo software intuitivo e al controllo automatico della pressione, è ancora facile eseguire le misure.