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L’aria intrappolata è un efficace isolante termico perché l’aria ha una conducibilità termica molto bassa, circa 0,026 W/(m·K) in prossimità della temperatura ambiente. Quando viene confinata in spazi sufficientemente piccoli, il suo movimento d’insieme e la convezione naturale possono essere fortemente limitati.
Il trasferimento di calore attraverso l’aria intrappolata avviene quindi soprattutto per conduzione nella fase gassosa, un processo relativamente poco efficiente, mentre la convezione viene ridotta al minimo.
È su questo principio che si basano molti sistemi isolanti: dal piumino e dal pile alle schiume, alle vetrate isolanti e ai materiali nanoporosi. Tutti creano e stabilizzano piccoli volumi di aria relativamente immobile.
L’aria intrappolata, tuttavia, offre un isolamento efficace solo in condizioni appropriate.
Quali condizioni rendono efficace l’isolamento con aria intrappolata?
Spazi abbastanza piccoli da limitare la convezione
L’aria ha una bassa conducibilità termica, ma nelle cavità grandi o aperte può circolare. In presenza di una differenza di temperatura, l’aria più calda diventa meno densa e sale, mentre quella più fredda scende. Questo movimento dovuto alle forze di galleggiamento genera convezione naturale e può aumentare sensibilmente il trasferimento di calore.
Se la cavità è sufficientemente piccola, la circolazione su larga scala fatica a instaurarsi. L’aria rimane relativamente immobile e la sua bassa conducibilità termica può contribuire efficacemente all’isolamento.
Per questo motivo, i materiali isolanti ricorrono generalmente a:
Pori di piccole dimensioni.
Reti di fibre sottili.
Celle chiuse.
Più intercapedini d’aria sottili.
Queste strutture suddividono lo spazio disponibile, anziché affidarsi a un’unica grande cavità d’aria.
Spazi d’aria relativamente asciutti
L’umidità può influenzare notevolmente le prestazioni termiche. In prossimità della temperatura ambiente, la conducibilità termica dell’aria immobile è di circa 0,026 W/(m·K), mentre quella dell’acqua liquida è di circa 0,6 W/(m·K).
L’acqua liquida conduce quindi il calore oltre 20 volte più efficacemente dell’aria immobile. Se penetra nella struttura porosa e sostituisce l’aria intrappolata, la conducibilità termica effettiva dell’isolante può aumentare sensibilmente.
L’entità dell’effetto dipende da:
Assorbimento d’acqua.
Distribuzione dell’umidità.
Struttura dei pori.
Carattere idrofilo o idrofobo del materiale.
Comportamento in fase di asciugatura.
Una corretta gestione dell’umidità è quindi importante nei sistemi isolanti porosi e fibrosi.
Temperatura compatibile con il sistema isolante
La conducibilità termica dell’aria non è costante: in genere aumenta con la temperatura.
A temperature basse o moderate, l’aria intrappolata può fornire un isolamento molto efficace. A temperature più elevate, invece, il trasferimento di calore per irraggiamento assume un’importanza crescente e il solo confinamento dell’aria può non essere sufficiente.
I sistemi di isolamento per alte temperature possono quindi richiedere elementi aggiuntivi, come:
Opacizzanti all’infrarosso.
Superfici riflettenti.
Strati a bassa emissività.
Strutture ceramiche.
Barriere termiche multistrato.
L’intervallo di impiego dipende non solo dall’aria presente nella struttura, ma anche dalla capacità del materiale circostante di resistere alle temperature di esercizio.
Una struttura di supporto che mantenga l’aria confinata
L’aria non possiede resistenza meccanica. Ha quindi bisogno di una struttura che la suddivida e la stabilizzi in piccole regioni. Tale struttura può essere costituita da:
Fibre.
Pareti polimeriche delle celle.
Reticoli minerali.
Scheletri nanoporosi.
La parte solida, però, costituisce anche una via di conduzione del calore. La progettazione deve quindi trattenere quanto più gas a bassa conducibilità possibile, riducendo al minimo i percorsi di conduzione nella fase solida non necessari.
Le strutture isolanti più efficaci bilanciano quattro caratteristiche: elevata porosità, stabilità strutturale, pori piccoli e bassa conduzione nella fase solida.
Perché l’aria intrappolata riduce il trasferimento di calore?
Il calore si trasferisce attraverso tre meccanismi fondamentali: conduzione, convezione e irraggiamento.
Il confinamento dell’aria agisce principalmente sulla conduzione e sulla convezione. La struttura circostante può influenzare anche l’irraggiamento.
Bassa conduzione termica nella fase gassosa
Nei gas, la conduzione termica avviene attraverso il movimento e le collisioni delle molecole. Rispetto ai solidi, le molecole sono molto più distanti tra loro e il trasferimento di energia è relativamente poco efficiente.
Per questo motivo, i gas hanno generalmente una conducibilità termica molto inferiore a quella dei solidi densi. Alcuni valori indicativi sono:
Aria immobile: circa 0,026 W/(m·K).
Acqua: circa 0,6 W/(m·K).
Calcestruzzo: circa 1–2 W/(m·K).
Acciaio al carbonio: decine di W/(m·K).
Rame: centinaia di W/(m·K).
Sostituire parte del volume di un materiale solido con gas intrappolato può quindi ridurne sensibilmente la conducibilità termica complessiva.
Riduzione del trasferimento di calore per convezione
In una grande cavità aperta, l’aria può circolare e trasportare efficacemente il calore. In una piccola cavità sigillata, invece, le pareti limitano il movimento d’insieme del gas.
Quando le dimensioni caratteristiche sono sufficientemente ridotte, la circolazione dovuta alle forze di galleggiamento si indebolisce e la convezione naturale può essere fortemente limitata.
L’efficacia di questa limitazione dipende da:
Dimensioni della cavità.
Orientamento.
Differenza di temperatura.
Proprietà del gas.
Pressione.
Nell’analisi ingegneristica, la tendenza allo sviluppo della convezione naturale viene spesso descritta mediante il numero di Rayleigh.
Effetto Knudsen su scala nanometrica
Quando i pori diventano estremamente piccoli, entra in gioco un ulteriore meccanismo.
A temperatura ambiente e pressione atmosferica, il cammino libero medio delle molecole dell’aria è dell’ordine di alcune decine di nanometri, comunemente approssimato a circa 70 nm.
Quando le dimensioni dei pori diventano confrontabili con questa scala, le collisioni tra le molecole del gas e le pareti dei pori acquistano maggiore importanza rispetto alle collisioni tra le molecole stesse. Ciò riduce l’efficienza del trasporto termico nella fase gassosa.
Questo fenomeno è comunemente associato all’effetto Knudsen. Il contributo della fase gassosa alla conducibilità termica può quindi scendere al di sotto di quello dell’aria immobile non confinata.
È uno dei motivi per cui l’aerogel di silice e altri sistemi isolanti nanoporosi possono raggiungere valori di conducibilità termica inferiori a circa 0,026 W/(m·K).
Influenza della struttura sull’irraggiamento
I materiali isolanti porosi possono influenzare anche la radiazione termica, ma l’entità di questo effetto dipende fortemente dal materiale.
Il trasferimento di calore per irraggiamento è influenzato da:
Temperatura.
Assorbimento della radiazione infrarossa.
Diffusione della radiazione.
Composizione del materiale.
Spessore ottico.
Emissività superficiale.
Alcuni sistemi porosi incorporano componenti che assorbono o diffondono la radiazione infrarossa per ridurre il trasferimento radiativo. Non bisogna però presumere che la sola presenza di pori garantisca automaticamente una forte schermatura della radiazione termica.
Il meccanismo in sintesi
L’effetto isolante dell’aria intrappolata si basa sulla combinazione di:
bassa conducibilità termica del gas + convezione fortemente limitata + confinamento strutturale.
Nei sistemi nanoporosi, l’isolamento può essere ulteriormente migliorato dalla riduzione del trasporto termico nella fase gassosa per effetto Knudsen e, a seconda della progettazione del materiale, da una minore trasmissione del calore per irraggiamento.
Conducibilità termica di alcuni materiali comuni
I valori riportati sono riferimenti ingegneristici approssimativi in prossimità della temperatura ambiente.
Tipo di materiale | Materiale rappresentativo | Conducibilità termica λ [W/(m·K)] | Rapporto rispetto all’aria immobile |
Metallo | Rame | ≈ 400 | ≈ 15.000× |
Metallo | Acciaio al carbonio | ≈ 45–60 | ≈ 1.700–2.300× |
Solido inorganico | Calcestruzzo | ≈ 1,0–1,8 | ≈ 40–70× |
Liquido | Acqua | ≈ 0,6 | ≈ 23× |
Isolante fibroso | Feltro di lana | ≈ 0,035–0,050 | ≈ 1,3–1,9× |
Gas | Aria immobile | ≈ 0,026 | 1× |
Materiale nanoporoso | Aerogel di silice | ≈ 0,013–0,020 | Inferiore a quello dell’aria immobile |
Questi valori variano in funzione della temperatura, della densità, del contenuto di umidità, della pressione, della struttura del materiale e del metodo di prova. Vanno quindi considerati riferimenti indicativi, non costanti universali.
Principali riferimenti fisici
In prossimità della temperatura ambiente e a pressione atmosferica:
La conducibilità termica dell’aria immobile è di circa 0,026 W/(m·K).
Il cammino libero medio delle molecole dell’aria è dell’ordine di 70 nm.
La conducibilità termica dell’acqua liquida è di circa 0,6 W/(m·K).
Per la convezione naturale nelle cavità chiuse, il numero di Rayleigh critico viene spesso utilizzato come riferimento ingegneristico. La soglia esatta dipende però dalla geometria e dalle condizioni al contorno.
Esempi pratici di isolamento con aria intrappolata
Vetrate isolanti
Le vetrate doppie e triple utilizzano strati di gas sigillati tra le lastre di vetro. Questi strati riducono il trasferimento di calore perché:
Creano una zona di gas a bassa conducibilità termica.
Limitano la convezione naturale.
Aumentano la resistenza termica complessiva.
Al posto dell’aria viene spesso utilizzato l’argon, che in condizioni appropriate può offrire una conducibilità termica nella fase gassosa ancora più bassa.
Il principio rimane lo stesso: uno strato di gas stabile e confinato riduce il trasferimento di calore.
Giacche imbottite in piumino
Il piumino non isola principalmente perché le fibre di cheratina oppongono, di per sé, una resistenza eccezionale al flusso di calore. La sua efficacia deriva soprattutto dalla struttura tridimensionale molto ramificata, che crea numerosi piccoli spazi d’aria.
Un piumino più voluminoso e soffice può trattenere più aria mantenendo un peso relativamente basso. Per questo il potere di riempimento, o fill power, è strettamente legato al volume e alla capacità di espansione della struttura dei fiocchi di piumino.
Polistirene espanso
Il polistirene espanso, o EPS, contiene una percentuale molto elevata di celle riempite di gas. Poiché la parte polimerica solida occupa solo una frazione relativamente piccola del volume totale, la conducibilità termica effettiva è molto inferiore a quella del polistirene solido.
La conducibilità termica tipica dell’EPS è di circa 0,030–0,038 W/(m·K), a seconda della densità, della temperatura e della formulazione del prodotto.
Aerogel
L’aerogel di silice contiene una percentuale estremamente elevata di pori nanometrici. La sua struttura combina:
Una frazione solida molto ridotta.
Una conduzione nella fase gassosa fortemente limitata.
La soppressione della convezione.
Gli effetti del confinamento nei nanopori.
Questa combinazione consente ad alcuni aerogel di silice di raggiungere una conducibilità termica di circa 0,013–0,020 W/(m·K), in condizioni di prova appropriate.
Applicazioni
Isolamento degli edifici
Molti sistemi di isolamento edilizio si basano sul confinamento di un gas. Ne sono esempi:
Schiume poliuretaniche.
EPS.
Lana minerale.
Fibra di vetro.
Vetrate isolanti.
Le loro strutture suddividono l’aria o un altro gas in numerose piccole regioni, limitando la convezione e riducendo il trasferimento effettivo di calore.
Abbigliamento outdoor
Piumino, imbottiture sintetiche, pile e molti altri sistemi isolanti tessili sfruttano in larga misura l’aria intrappolata. La rete di fibre crea piccoli spazi d’aria e ne riduce il movimento.
I sistemi convenzionali basati sulla voluminosità dell’imbottitura richiedono spesso uno spessore considerevole per trattenere abbastanza aria e raggiungere la resistenza termica desiderata.
La progettazione deve quindi trovare un equilibrio tra isolamento termico, spessore, peso e libertà di movimento.
Isolamento nanoporoso flessibile
I materiali nanoporosi flessibili estendono il principio del gas intrappolato a scale dimensionali molto più piccole. Anziché affidarsi principalmente a imbottiture con spessori dell’ordine dei centimetri, utilizzano strutture a pori fini per ridurre il trasporto termico nella fase gassosa all’interno di uno strato molto più sottile.
Alcuni prodotti Y-Warm, per esempio, hanno uno spessore di circa 0,7 mm e sono progettati per applicazioni in cui occorre considerare insieme:
Spessore ridotto.
Flessibilità.
Bassa conducibilità termica.
Lavorabilità.
Gestione dell’umidità.
Il loro principale vantaggio ingegneristico è un’elevata resistenza termica per unità di spessore.
Questo non significa che uno strato di 0,7 mm possa sostituire in ogni situazione un sistema isolante in piumino o sintetico molto più spesso. Le prestazioni effettive dipendono dalla costruzione complessiva del prodotto e dalle condizioni di impiego.
Applicazioni industriali e aerospaziali
Materassini in aerogel, sistemi di isolamento sottovuoto e sistemi isolanti multistrato vengono utilizzati in ambienti con esigenze termiche particolarmente impegnative.
Questi sistemi possono combinare diversi principi:
Limitazione della conduzione nella fase gassosa.
Soppressione della convezione.
Riduzione della conduzione nella fase solida.
Riflessione o attenuazione della radiazione termica.
A temperature molto elevate o in condizioni di vuoto, l’irraggiamento può assumere un’importanza particolare.
Conclusione
L’aria intrappolata è un efficace isolante perché ha una conducibilità termica molto bassa e, quando il suo movimento viene limitato, la convezione naturale si riduce notevolmente.
Il principio fondamentale va oltre la semplice affermazione che l’aria sia un buon isolante: sono i piccoli volumi stabili di aria a bassa conducibilità a fornire un isolamento efficace.
Su scale ancora più piccole, le strutture nanoporose possono ridurre ulteriormente il trasporto termico nella fase gassosa attraverso l’effetto Knudsen, consentendo valori di conducibilità termica inferiori a quelli dell’aria immobile non confinata.
Dal piumino alle schiume, dall’aerogel ai materiali nanoporosi flessibili, molte tecnologie di isolamento condividono quindi lo stesso principio: controllare il movimento dell’aria, ridurre i percorsi di trasferimento del calore e mantenere stabile la struttura isolante.
Domande frequenti
1. Perché gli indumenti bagnati fanno sentire più freddo?
Quando un materiale isolante si bagna, l’acqua liquida può sostituire l’aria all’interno della struttura. Poiché l’acqua conduce il calore molto più efficacemente dell’aria, la conducibilità termica effettiva può aumentare.
Inoltre, l’evaporazione sottrae calore latente al corpo o alla superficie del materiale. Entrambi i meccanismi possono contribuire ad accentuare la sensazione di freddo.
2. Un’intercapedine d’aria più spessa isola sempre meglio?
No. Inizialmente, aumentando lo spessore dell’intercapedine cresce la resistenza termica. Se però la cavità diventa sufficientemente grande, può svilupparsi la convezione naturale.
Quando la circolazione dell’aria diventa significativa, il trasferimento di calore può aumentare. Per questo molti sistemi isolanti suddividono un grande volume in più strati sottili, piccole celle o pori fini, invece di utilizzare un’unica grande cavità.
3. Quale materiale isola meglio: piumino, aerogel o materiali nanoporosi?
Non esiste una risposta valida per ogni situazione: le prestazioni dipendono dalle priorità progettuali.
Il piumino offre un ottimo rapporto tra isolamento termico e peso quando mantiene una voluminosità sufficiente. L’aerogel può offrire una conducibilità termica molto bassa e un’elevata resistenza termica per unità di spessore. I materiali nanoporosi flessibili possono presentare vantaggi quando sono importanti spessore ridotto, flessibilità e lavorabilità.
Un confronto corretto deve considerare conducibilità termica, spessore, peso, umidità, compressione, flessibilità, durabilità e progettazione complessiva del sistema.
4. Un materiale spesso 0,7 mm può davvero fornire un isolamento termico utile?
Sì. Per uno strato omogeneo vale la relazione:
R = d / λ
Un materiale sottile con una conducibilità termica molto bassa può offrire una resistenza termica sensibilmente maggiore rispetto a un normale tessuto dello stesso spessore.
Tuttavia, la sufficienza di uno strato di 0,7 mm per una specifica applicazione dipende da:
Differenza di temperatura.
Durata dell’esposizione.
Vento.
Umidità.
Livello di attività.
Costruzione del capo.
Presenza di altri strati isolanti.
Il vantaggio principale è quindi l’efficienza termica per unità di spessore, non la possibilità di sostituire in ogni situazione gli isolanti più spessi.
5. L’aria intrappolata può fuoriuscire nel tempo?
Dipende dalla struttura. Nei sistemi a celle chiuse, il gas è fisicamente confinato all’interno di celle sigillate. Nei sistemi fibrosi, come il piumino o il pile, l’aria non è sigillata in modo permanente: è la struttura a ricreare continuamente zone d’aria relativamente immobile.
La perdita di prestazioni nel tempo può derivare da:
Compressione.
Infeltrimento delle fibre.
Danneggiamento delle celle.
Collasso della struttura.
Accumulo di umidità.
Diffusione del gas in alcuni sistemi a schiuma.
Le prestazioni isolanti a lungo termine dipendono quindi dalla stabilità della struttura che crea e mantiene le regioni di gas intrappolato.
