L’isolamento termico riduce il trasferimento di calore tra zone a temperature diverse, in qualunque direzione avvenga il flusso. Il trattenimento del calore è un obiettivo specifico dell’isolamento: rallentare la dispersione di calore da un corpo, un ambiente o un oggetto più caldo verso l’esterno, più freddo.

Lo stesso materiale isolante può spesso contribuire sia a limitare le dispersioni verso l’esterno sia a ridurre l’ingresso di calore. La sua idoneità dipende però dall’intervallo di temperatura di esercizio, dalle proprietà meccaniche, dal comportamento in presenza di umidità e dalla progettazione del sistema nel suo insieme.

Quando conta questa distinzione?

La differenza riguarda soprattutto l’obiettivo dell’applicazione: in entrambi i casi valgono le stesse leggi del trasferimento termico. Il calore fluisce spontaneamente da una zona a temperatura più alta verso una a temperatura più bassa. Un materiale isolante non ha, di per sé, un «lato caldo» e un «lato freddo».

Limitare la dispersione o l’ingresso di calore

Quando ciò che si vuole proteggere è più caldo dell’ambiente circostante, il flusso di calore tende a dirigersi verso l’esterno. L’obiettivo è ridurre la dispersione, per esempio in abbigliamento invernale, tubazioni dell’acqua calda, caldaie ed edifici riscaldati.

Quando invece ciò che si vuole proteggere è più freddo dell’ambiente circostante, il calore tende a entrare. L’obiettivo è ridurre l’apporto di calore dall’esterno, per esempio nel trasporto refrigerato, negli imballaggi per la conservazione a freddo, negli edifici climatizzati e nelle apparecchiature sensibili alla temperatura.

Entrambi gli obiettivi richiedono isolamento termico. Un materiale a bassa conducibilità termica può spesso essere impiegato nei due casi, ma criteri di valutazione, requisiti di sicurezza, condizioni ambientali e dettagli di progetto possono cambiare sensibilmente.

Verificare l’intervallo di temperatura di esercizio

La scelta non dipende dall’etichetta «per trattenere il calore» o «per proteggere dal calore», bensì dalla capacità del materiale di funzionare in sicurezza e con efficacia nell’intervallo richiesto.

Per esempio, una schiuma di polietilene che offre buone prestazioni tra circa −50 °C e +70 °C potrebbe non essere adatta vicino a una tubazione del vapore a 200 °C. Viceversa, un pannello in fibra ceramica progettato per temperature superiori a 1.000 °C risulterebbe troppo rigido e voluminoso per un capo di abbigliamento. Conta quindi l’intervallo di temperatura di esercizio verificato per il materiale e per l’applicazione prevista.

Quali meccanismi regolano l’isolamento termico?

Conduzione, convezione e irraggiamento intervengono sia quando si cerca di trattenere il calore sia quando si vuole limitarne l’ingresso. Un sistema isolante riduce uno o più di questi percorsi di trasferimento.

Conduzione e resistenza termica

La conduzione trasferisce calore attraverso solidi e gas. Una proprietà fondamentale dei materiali è la conducibilità termica λ, espressa normalmente in W/(m·K): a parità di condizioni, un valore di λ più basso corrisponde a una minore conduzione attraverso il materiale.

Per uno strato semplice e omogeneo vale la relazione:

R = d / λ

dove R è la resistenza termica, espressa in m²·K/W, d è lo spessore in metri e λ è la conducibilità termica. La relazione è utile tanto per limitare le dispersioni quanto per ridurre il calore entrante.

Convezione

La convezione trasferisce calore attraverso il movimento di un fluido. Nei materiali isolanti riguarda spesso il movimento dell’aria o di un altro gas nelle cavità. Isolanti fibrosi, schiume e materiali porosi limitano il movimento del gas e quindi riducono la convezione. È più preciso parlare di convezione ridotta o soppressa che di eliminazione totale in ogni condizione.

Irraggiamento

Qualsiasi corpo a temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione elettromagnetica. Alle temperature ordinarie, una parte consistente della radiazione termica ricade nell’infrarosso; il contributo dell’irraggiamento al trasferimento di calore diventa più importante con l’aumentare della temperatura. Per ridurlo, alcuni sistemi impiegano superfici riflettenti, strati a bassa emissività, assorbitori di infrarossi o particelle che diffondono la radiazione infrarossa.

Perché i materiali nanoporosi possono avere una bassa conducibilità termica?

Un aspetto dei materiali nanoporosi è la possibilità di ridurre la conduzione del calore attraverso il gas contenuto nei pori. Vicino alla temperatura ambiente, l’aria ferma ha una conducibilità termica di circa 0,026 W/(m·K); negli isolanti porosi convenzionali, l’aria intrappolata contribuisce già in misura rilevante all’isolamento.

Quando le dimensioni dei pori diventano confrontabili con il cammino libero medio delle molecole del gas, acquistano importanza le collisioni delle molecole con le pareti dei pori. Il trasporto termico attraverso il gas diventa meno efficiente: il fenomeno è comunemente associato all’effetto Knudsen. In queste condizioni, il contributo del gas alla conducibilità termica può essere inferiore a quello dell’aria ferma non confinata.

Questo meccanismo è una delle ragioni fisiche per cui gli aerogel di silice e i materiali isolanti nanoporosi Y-Warm possono presentare valori di conducibilità termica inferiori a quello dell’aria ferma. Y-Warm è un materiale isolante nanoporoso distinto dagli aerogel di silice. La verifica del meccanismo e dei valori richiede dati riferiti allo specifico prodotto e a condizioni di prova comparabili.

Conducibilità termica indicativa di alcuni materiali

I valori seguenti sono intervalli approssimativi vicino alla temperatura ambiente, riportati soltanto per un confronto generale. Non equivalgono a una graduatoria delle prestazioni nei prodotti finiti.

La conducibilità varia con densità, temperatura, contenuto d’acqua, struttura del materiale, metodo di prova e temperatura media della misura. Per un confronto significativo occorrono condizioni di prova coerenti.

Come si misurano e confrontano le prestazioni termiche?

Metodi diversi misurano proprietà o sistemi diversi. Fra quelli pertinenti figurano:

I risultati non andrebbero confrontati direttamente se spessore e condizionamento dei campioni, temperatura, umidità e configurazione di prova non sono comparabili. La scelta del metodo dipende dal materiale, dal prodotto e dall’applicazione.

Quanto incide lo spessore?

Nel modello idealizzato R = d / λ, per ottenere R = 0,5 m²·K/W un materiale con λ = 0,026 W/(m·K) richiederebbe d = R × λ = 0,5 × 0,026 = 0,013 m, cioè circa 13 mm. Con λ = 0,015 W/(m·K) servirebbero teoricamente 7,5 mm, alle stesse condizioni idealizzate.

Una conducibilità minore può quindi permettere di raggiungere la stessa resistenza termica con meno spessore. Nella pratica contano anche ponti termici, movimento dell’aria, resistenze superficiali, umidità e dettagli costruttivi: aumentare lo spessore non garantisce un miglioramento proporzionale delle prestazioni dell’intero sistema.

Perché contano umidità e temperatura?

L’acqua ha una conducibilità termica di circa 0,6 W/(m·K), oltre venti volte quella dell’aria ferma. Se sostituisce l’aria contenuta in una struttura isolante porosa, la conducibilità termica effettiva può aumentare sensibilmente. La gestione dell’umidità è quindi importante negli indumenti imbottiti, nei sistemi in fibra di vetro, negli isolanti tessili e negli involucri edilizi; l’entità dell’effetto dipende dalla struttura del materiale e dalla quantità d’acqua presente.

La conducibilità termica, inoltre, non è sempre costante: in molti isolanti cresce all’aumentare della temperatura media. Un valore di λ misurato vicino a 25 °C non va trasferito automaticamente a 200 °C o a un’altra temperatura di esercizio.

Dove cambia l’obiettivo dell’isolamento?

Edifici

Nei climi freddi, l’isolamento di pareti e coperture serve soprattutto a ridurre la dispersione di calore dagli ambienti riscaldati. Nei climi caldi o con forte esposizione solare, l’involucro può essere progettato anche per limitare l’ingresso di calore. Fra le ulteriori strategie rientrano coperture riflettenti, barriere a bassa emissività, facciate ventilate e rivestimenti per il controllo solare. Lo stesso edificio può richiedere entrambe le funzioni in periodi diversi dell’anno.

Logistica della catena del freddo

Prodotti farmaceutici, alimenti surgelati e alimenti freschi possono dover restare, a seconda del prodotto, a temperature come −20 °C oppure 2–8 °C, mentre l’ambiente esterno è più caldo. L’isolamento riduce il flusso di calore verso l’interno. Le soluzioni citate includono pannelli isolanti sottovuoto, schiume e isolanti a base di aerogel; anche i materiali a cambiamento di fase possono far parte della gestione termica del sistema.

Impianti industriali

Tubazioni del vapore, reattori, forni e caldaie utilizzano spesso isolanti per ridurre le perdite di calore di processo. Gli obiettivi possono comprendere efficienza energetica, controllo della temperatura superficiale, protezione degli operatori, prevenzione della condensa e stabilità del processo. Alle alte temperature occorre considerare anche resistenza al fuoco, ossidazione, irraggiamento e degrado termico.

Dispositivi di protezione individuale

Indumenti per vigili del fuoco e per addetti alle fonderie, guanti termici e altri sistemi protettivi mirano a ridurre il trasferimento di calore dall’ambiente caldo verso chi li indossa. Possono intervenire contemporaneamente calore radiante, calore convettivo, calore per contatto e fiamma. Per queste applicazioni servono requisiti e norme di protezione specifici: la sola conducibilità termica non basta.

Abbigliamento outdoor

Nell’abbigliamento outdoor l’obiettivo principale è ridurre la perdita di calore del corpo. Una domanda utile nella progettazione è: quanta resistenza termica si può ottenere per unità di spessore e di peso?

Gli isolanti nanoporosi flessibili possono essere utili in giacche, guanti, calzature, copricapi e altri punti in cui lo spessore è vincolante. Alcuni prodotti Y-Warm hanno uno spessore di circa 0,7 mm e sono destinati ad applicazioni nelle quali contano ingombro ridotto, flessibilità e gestione dell’umidità. Le prestazioni del capo finito dipendono comunque dall’intero sistema di abbigliamento, non dal solo strato isolante.

Elettronica e veicoli elettrici

Nei dispositivi elettronici e nei sistemi a batteria la gestione termica comprende più funzioni del semplice trattenimento del calore. Un pacco batterie può dover limitare la dispersione in condizioni di freddo, evitare un eccessivo ingresso di calore, ritardare la propagazione del calore tra celle, dissipare il calore prodotto internamente e soddisfare requisiti di resistenza alla fiamma e sicurezza elettrica. Isolamento e dissipazione devono quindi essere progettati insieme.

Come scegliere un materiale isolante?

L’isolamento termico è la funzione generale di limitare il trasferimento di calore; trattenere il calore significa applicare questa funzione per ridurre le dispersioni da ciò che è più caldo dell’ambiente circostante. I meccanismi coinvolti restano conduzione, convezione e irraggiamento.

Per selezionare un materiale è più utile definire la resistenza termica necessaria, la temperatura di esercizio, le condizioni di umidità, lo spessore disponibile e i vincoli meccanici e di sicurezza. Le prestazioni vanno poi verificate con metodi e condizioni pertinenti all’applicazione reale.

6. Domande frequenti

1. Isolamento termico e trattenimento del calore significano la stessa cosa?

Non esattamente. L’isolamento termico riduce il trasferimento di calore in entrambe le direzioni. Trattenere il calore è un obiettivo particolare: ridurre la dispersione da un oggetto, uno spazio o un corpo più caldo dell’ambiente circostante. I meccanismi fisici sono gli stessi.

2. Lo stesso isolante può trattenere il calore e limitarne l’ingresso?

Spesso sì: la bassa conducibilità termica di un materiale non dipende di per sé dalla direzione del flusso. L’idoneità concreta dipende dall’intervallo di temperatura, dall’umidità, dai requisiti meccanici e antincendio e dalla costruzione del sistema.

3. Un isolante più spesso offre sempre prestazioni migliori?

In uno strato omogeneo con conducibilità λ costante, la resistenza termica R = d / λ aumenta con lo spessore. Le prestazioni del sistema finito dipendono però anche da ponti termici, movimento dell’aria, resistenze superficiali, umidità e dettagli costruttivi; il miglioramento complessivo può quindi non essere proporzionale.

4. Che cosa indicano Rct e clo nell’abbigliamento?

Rct indica la resistenza termica di un sistema tessile, normalmente espressa in m²·K/W, e può essere misurata con metodi come ISO 11092. Il clo è un’unità usata per l’isolamento dell’abbigliamento: 1 clo = 0,155 m²·K/W. Valori più alti indicano maggiore resistenza termica.

5. Perché un materiale isolante bagnato può isolare meno?

L’acqua conduce il calore molto più efficacemente dell’aria ferma. Se sostituisce l’aria intrappolata in un materiale poroso, la conducibilità termica effettiva può aumentare e la resistenza termica diminuire. L’effetto dipende dalla struttura e dalla quantità di acqua presente.

6. L’aerogel è l’unica soluzione per un isolamento sottile?

No. Esistono anche schiume ad alte prestazioni, pannelli isolanti sottovuoto, sistemi riflettenti multistrato e materiali nanoporosi flessibili. La scelta dipende da conducibilità termica, spessore, flessibilità, comportamento all’umidità, durata e costo. Per le applicazioni indossabili, i materiali nanoporosi flessibili possono essere utili quando servono insieme spessore ridotto, bassa conducibilità, flessibilità e gestione dell’umidità.