La diffusività termica (α) è una proprietà termo-fisica che descrive la velocità con cui una variazione di temperatura si propaga all’interno di un materiale.
A differenza della conducibilità termica (λ), che descrive il trasferimento di calore in condizioni stazionarie, la diffusività caratterizza il comportamento del materiale in regime transitorio, ovvero la rapidità con cui il calore si distribuisce nel volume.
In termini pratici, un materiale con elevata diffusività termica si riscalda e si raffredda rapidamente; un materiale con bassa diffusività risponde più lentamente alle variazioni di temperatura, accumulando e rilasciando energia in modo graduale. Questa proprietà è correlata all’inerzia termica ed è rilevante nelle applicazioni in regime non stazionario (cicli termici, riscaldamenti rapidi, shock termici, variazioni periodiche di temperatura).
La diffusività termica è definita dalla relazione tra conducibilità termica (λ), densità (ρ) e calore specifico (cₚ):
α = λ / (ρ ⋅ cₚ)dove:
L’unità di misura nel Sistema Internazionale è il m²/s, talvolta espressa in mm²/s per materiali con valori molto contenuti.
La relazione evidenzia che la diffusività termica dipende sia dalla conducibilità (λ), sia dalla capacità termica volumetrica del materiale, definita come prodotto tra densità e calore specifico (ρ·cₚ).
A parità di conducibilità, un materiale con elevata capacità termica volumetrica presenta una diffusività inferiore, poiché assorbe una maggiore quantità di energia prima di variare la propria temperatura. Al contrario, materiali con bassa densità e basso calore specifico possono presentare diffusività elevate anche in presenza di conducibilità moderate.
La diffusività termica si colloca all’interno di un sistema di proprietà termo-fisiche strettamente correlate. Comprenderle insieme è essenziale per una caratterizzazione completa del comportamento termico di un materiale:
Un confronto tipico è quello tra ghisa e alluminio.
L’alluminio presenta una conducibilità termica significativamente superiore (λ ≈ 205 W/(m·K)) e una diffusività elevata, con conseguente rapido riscaldamento e distribuzione del calore.
La ghisa, pur avendo una conducibilità inferiore (λ ≈ 50 W/(m·K)), è caratterizzata da una maggiore densità e capacità termica volumetrica (ρ·cₚ). Di conseguenza, si riscalda più lentamente ma mantiene il calore più a lungo e con maggiore uniformità.
Lo stesso principio si applica a materiali da costruzione, componenti industriali e sistemi soggetti a condizioni termiche variabili.
La determinazione sperimentale della diffusività termica richiede metodi specifici, in grado di analizzare la risposta del materiale a un impulso termico transitorio, non le condizioni di regime stazionario su cui si basano i metodi per λ. Il metodo più diffuso e preciso, in particolare per applicazioni ad alta temperatura, è la Light Flash Analysis (LFA), regolamentata dalla norma ASTM E1461 e dalla norma internazionale ISO 22007-4.
Un impulso energetico di breve durata, generato da un laser o da una lampada allo xeno, viene applicato su una faccia del campione. La variazione di temperatura sulla faccia opposta è rilevata nel tempo mediante un sensore infrarosso. L’analisi della curva di risposta termica consente di determinare la diffusività termica attraverso modelli matematici che tengono conto della geometria del campione e delle condizioni di prova, incluse eventuali perdite di calore.
I principali vantaggi della tecnica LFA sono:
La diffusività termica determinata mediante LFA, in combinazione con la densità (ρ) e il calore specifico (cₚ) - quest’ultimo ottenuto preferibilmente tramite DSC o, in alternativa, stimato mediante LFA per confronto con un materiale di riferimento secondo procedure validate - consente la determinazione indiretta della conducibilità termica (λ), completando la caratterizzazione termo-fisica del materiale.
La diffusività termica è un parametro chiave in tutti i contesti in cui i materiali operano in condizioni non stazionarie. I principali ambiti di applicazione sono:
Certimac dispone della strumentazione Light Flash Analysis (LFA) avanzata per la determinazione della diffusività termica su un’ampia gamma di materiali e in un intervallo di temperatura che copre applicazioni dalla caratterizzazione di isolanti edilizi fino ai refrattari industriali ad alta temperatura.
Le prove vengono eseguite in conformità alle norme ASTM E1461 e ISO 22007. Certimac opera come laboratorio accreditato ISO 17025 da ACCREDIA, garantendo un sistema qualità conforme ai requisiti internazionali.
A partire dai risultati ottenuti mediante LFA, integrati con le misure di calore specifico (DSC) e densità, Certimac è in grado di fornire una caratterizzazione termo-fisica completa del materiale, determinando diffusività (α), conducibilità termica (λ) e calore specifico (cₚ). Tutti i parametri sono ricavati nell’ambito della stessa campagna di misura, garantendo piena coerenza e tracciabilità metrologica. I risultati vengono rilasciati sotto forma di Rapporto di Prova, utilizzabile per qualifica di prodotto, attività di R&D, controllo qualità e analisi di failure.
Il nostro team di esperti affianca le aziende non solo nella fase di test, ma anche nell'interpretazione dei risultati e nell'applicazione pratica dei dati per lo sviluppo prodotto e l'innovazione tecnologica.
Per maggiori informazioni sui nostri servizi di analisi della diffusività termica o per richiedere una consulenza, visitate la nostra pagina dedicata all'analisi termica, contattate i nostri esperti compilando il form in fondo alla pagina oppure all'indirizzo materiali@certimac.it.
