Proprietà termiche dei materiali

Una pentola di rame scotta subito il manico, una di acciaio molto meno; un piatto di ceramica messo nel forno caldo a volte si crepa, uno di vetro pyrex no. Dietro questi comportamenti quotidiani ci sono le proprietà termiche dei materiali: come immagazzinano calore, come lo conducono e come reagiscono dilatandosi.

Vediamo le tre grandezze fondamentali — capacità termica, dilatazione e conducibilità — e perché certi materiali sopportano gli sbalzi di temperatura meglio di altri.

Quanto calore serve per scaldarli

La capacità termica misura quanto calore serve per alzare di un grado la temperatura di un materiale. A livello microscopico il calore mette in vibrazione gli atomi attorno alle loro posizioni: più la temperatura sale, più ampie sono le vibrazioni. La quantità di calore “incassata” per ogni grado dipende da quanti modi di vibrare ha la struttura, e a temperatura ambiente molti solidi hanno valori simili per atomo, un fatto osservato già nell’Ottocento.

Perché si dilatano

Quasi tutti i materiali si dilatano quando si scaldano. Il motivo sta nella forma della curva di energia che lega due atomi vicini: non è simmetrica, ma più ripida quando gli atomi si avvicinano e più dolce quando si allontanano. Aumentando le vibrazioni col calore, la distanza media fra gli atomi cresce, e il materiale si espande. Questa asimmetria, detta anarmonicità, è la vera causa della dilatazione termica.

Quanto si dilatano

L’entità della dilatazione si esprime con il coefficiente di dilatazione termica, che dice di quanto si allunga il materiale per ogni grado. I metalli si dilatano abbastanza, i polimeri molto, i ceramici e il vetro pochissimo. Questa differenza è la ragione per cui materiali diversi messi insieme — per esempio un rivestimento ceramico su un metallo — possono staccarsi o crepare quando la temperatura cambia, perché si espandono in misura diversa.

ΔL / L  =  α · ΔT   (allungamento relativo = coefficiente × variazione di temperatura)

Come conducono il calore

La conducibilità termica misura la velocità con cui il calore attraversa un materiale. Nei metalli il calore è trasportato soprattutto dagli elettroni liberi, gli stessi che conducono elettricità: per questo i buoni conduttori elettrici, come il rame, sono anche ottimi conduttori di calore. Nei materiali non metallici, dove gli elettroni non sono liberi, il calore viaggia attraverso le vibrazioni del reticolo, ed è di solito più lento.

Vibrazioni che si urtano

Nei solidi non metallici il calore si propaga come pacchetti di vibrazione che attraversano la struttura, ma questi pacchetti si urtano fra loro e con i difetti, percorrendo solo un breve cammino libero medio prima di essere deviati. Più gli urti sono frequenti, più bassa è la conducibilità. Ecco perché i materiali disordinati, come il vetro, e quelli pieni di difetti conducono male il calore: sono buoni isolanti proprio perché ostacolano il viaggio delle vibrazioni.

Lo shock termico

Quando un materiale subisce uno sbalzo di temperatura improvviso, le sue parti si dilatano o contraggono in misura diversa, generando tensioni interne che possono romperlo: è lo shock termico. Resistono bene i materiali che si dilatano poco e conducono il calore in fretta, perché sviluppano tensioni più piccole e le smaltiscono rapidamente. È il segreto del vetro borosilicato da laboratorio e da forno, che si dilata pochissimo e quindi sopporta gli sbalzi che manderebbero in pezzi un vetro comune.

Termico ed elettrico vanno spesso insieme

Un punto elegante è che nei metalli la conduzione del calore e quella dell’elettricità non sono indipendenti: entrambe poggiano sugli stessi elettroni liberi, e il loro rapporto è quasi costante a una data temperatura. Questa regolarità, nota da oltre un secolo, spiega perché non esistono metalli che conducono benissimo l’elettricità ma malissimo il calore. Conoscere una proprietà permette spesso di stimare l’altra, ed è una delle ragioni per cui rame e alluminio dominano sia nei cavi elettrici sia negli scambiatori di calore.

Quando le proprietà termiche fanno la differenza

Le proprietà termiche non sono un dettaglio da specialisti: decidono il successo o il fallimento di moltissimi oggetti. Nei microprocessori, per esempio, il problema principale è smaltire il calore prodotto in uno spazio minuscolo, e per questo si cercano materiali che conducano benissimo il calore ma isolino l’elettricità, una combinazione rara e preziosa. Negli stampi e negli utensili che lavorano a caldo conta resistere alla dilatazione e allo shock termico per non deformarsi o crepare. Quando si uniscono materiali diversi — un metallo e un vetro, un rivestimento e il suo substrato — bisogna che i loro coefficienti di dilatazione siano simili, altrimenti ogni ciclo di riscaldamento e raffreddamento genera tensioni che finiscono per staccarli: è una causa frequente di guasto nei componenti elettronici e nelle saldature vetro-metallo. Anche nell’edilizia la dilatazione va prevista, ed è per questo che ponti e binari hanno giunti che lasciano spazio al movimento. Conoscere e progettare attorno alle proprietà termiche significa, in pratica, evitare che le cose si rompano semplicemente cambiando temperatura.

Domande frequenti

Perché i materiali si dilatano scaldandosi?

Perché la curva di energia che lega due atomi vicini è asimmetrica: salendo di temperatura le vibrazioni si fanno più ampie e la distanza media fra gli atomi aumenta. Questa asimmetria, detta anarmonicità, è la causa fisica della dilatazione termica.

Perché i metalli conducono bene il calore?

Perché possiedono elettroni liberi che trasportano sia la corrente elettrica sia il calore. Negli isolanti, privi di elettroni liberi, il calore viaggia solo tramite le vibrazioni del reticolo, un meccanismo più lento: per questo conducono molto meno.

Che cos’è lo shock termico?

È la rottura causata da uno sbalzo improvviso di temperatura: le diverse parti del materiale si dilatano o contraggono in misura differente e nascono tensioni interne. Resistono i materiali che si dilatano poco e conducono in fretta il calore.

Perché il pyrex non si crepa nel forno?

Perché è un vetro borosilicato che si dilata pochissimo con la temperatura. Sviluppando dilatazioni molto piccole, genera tensioni interne ridotte anche di fronte a forti sbalzi termici e quindi resiste dove un vetro comune si romperebbe.

Conducibilità termica ed elettrica sono collegate?

Nei metalli sì: entrambe dipendono dagli stessi elettroni liberi e il loro rapporto è quasi costante a una data temperatura. Per questo i buoni conduttori elettrici, come rame e argento, sono anche ottimi conduttori di calore.