Inerzia termica

L' inerzia termica di un materiale rappresenta la sua resistenza al cambiamento di temperatura quando c'è un disturbo nel suo equilibrio termico .

Quando un materiale è in equilibrio termico, la sua temperatura è fissa e gli scambi di calore (per conduzione , convezione , irraggiamento ) che mantiene con l'ambiente sono equilibrati (tanto calore ricevuto quanto calore trasferito). Quando un disturbo termico lo porta ad una nuova temperatura di equilibrio, l'inerzia termica è evidenziata dal tempo necessario per raggiungere questo nuovo punto di equilibrio: se il materiale ha una bassa diffusività termica , raggiungerà il nuovo equilibrio dopo molto tempo, se viceversa è alto, lo raggiungerà dopo poco tempo.

Il tempo impiegato per raggiungere il nuovo equilibrio è chiamato tempo caratteristico . Dipende dalla diffusività termica del materiale, ma anche dalla differenza tra le due temperature di equilibrio.

Il concetto di inerzia termica è utilizzato in particolare nel settore edile , nell'ambito della progettazione di pareti esterne opache. Le temperature interne e soprattutto esterne di queste pareti variano frequentemente. In particolare, queste pareti sono soggette all'influenza termica della radiazione solare . I materiali da cui sono realizzati dovrebbero idealmente partecipare alla stabilità della temperatura interna, per garantire un ruolo protettivo contro i rischi termici.

Nel settore industriale, il controllo dell'inerzia termica di elementi o materiali consente spesso di ottimizzare i processi di lavorazione.

Grandezze per quantificare l'inerzia termica di un materiale

Uno quantifica l'inerzia termica principalmente da:

la diffusività termica (o ) del materiale, che rappresenta la sua tendenza a favorire la diffusione del calore (quindi, nell'ambiente edilizio, la bassa diffusività è spesso considerata un valore “buono”); $D$ $a$
lo spessore del materiale considerato; il tempo caratteristico (a cui è legato lo sfasamento termico) dipende poi da questi primi due parametri, essendo dell'ordine di ; $e$ ${\ displaystyle e ^ {2} / D}$
l' effusività termica del materiale considerato, cioè la sua capacità di scambiare energia termica con il suo ambiente.

L'inerzia termica quindi non dipende unicamente dalla densità dei materiali attraversati. Ad esempio, il calcestruzzo ha un'elevata diffusività (che può essere definita "cattiva"). Pertanto, nonostante la sua alta densità, il calore derivante dall'assorbimento della radiazione solare passa rapidamente attraverso questo materiale e crea surriscaldamenti negli edifici.

A differenza della diffusività termica, che descrive la velocità con cui il calore si muove attraverso la massa di un materiale, l'effusività descrive la velocità con cui un materiale assorbe il calore. Maggiore è l'effusività, maggiore è l'energia che il materiale assorbe senza surriscaldarsi sensibilmente. Al contrario, più è basso, più velocemente il materiale si riscalda. Ad esempio, il cemento ha un'elevata effusività e dà una sensazione di freddo al tatto mentre il legno ha una bassa effusività e non dà una sensazione di freddo al tatto.

Effetti nel caso di un edificio

Nel settore edile, cerchiamo di sfruttare i comportamenti inerziali dei materiali per gestire al meglio i rischi termici. La temperatura esterna così come l'assorbimento della radiazione solare da parte delle pareti variano periodicamente, nell'ordine di un giorno ma anche di una stagione. La temperatura all'interno dell'edificio segue necessariamente queste variazioni, ma l'involucro edilizio crea un fenomeno di inerzia termica che si manifesta con:

ammortizzazione , che riduce gli effetti delle ondate di calore o del freddo estremo
uno sfasamento , legato al clima caratteristico sopra menzionato, che consente di ritardarne gli effetti (esempio: in estate il fronte termico della radiazione solare entra in casa a fine giornata anziché al mattino).

Lo smorzamento e lo sfasamento sono tanto più marcati quanto maggiore è l'inerzia termica.

Possiamo distinguere due casi in cui si verifica l'inerzia termica:

inerzia di trasmissione , che riguarda l'attenuazione dell'influenza delle condizioni esterne, in particolare degli impatti della radiazione solare sulla temperatura interna dell'edificio. Questa inerzia si basa essenzialmente sull'isolamento termico con bassissima diffusività termica all'esterno dell'involucro edilizio. La resistenza termica dell'isolante ma soprattutto la sua diffusività giocano un ruolo importante in questo caso;
inerzia per assorbimento , che riguarda l'accumulo di calore o frescura nei tramezzi e nelle pareti della struttura a contatto con l'interno dell'edificio. Lo spessore delle pareti pesanti non è troppo importante oltre una quindicina di centimetri per lato (accumulo di calore in prossimità della superficie).

Applicazione in pasticceria

La cottura avviata in modo convenzionale può essere completata con inerzia termica utilizzando una scatola isotermica , secondo una tecnica nota come Marmite Norvegese.

Vedi anche

link esterno

Inerzia termica sul sito energieplus-lesite.be di Architecture et Climat dell'Università Cattolica di Lovanio
Inerzia termica sulle idee di casa
Spiegazioni
Inerzia termica negli edifici - Principio di sovrapposizione , presentazione didattica sull'inerzia termica fornita dalla diffusività e dall'effusività, di Jean Louis IZARD, École Nationale Supérieure d'Architecture de Marseille

Bibliografia

Tesi di dottorato di Jean Sicard, Analisi modale applicata alla termica , Università Pierre e Marie Curie, Parigi, 1984: a p. 117-119.
Progettare edifici bioclimatici: fondamenti e metodi , Pierre Fernandez e Pierre Lavigne, The Monitor, Parigi, 2009.