Conduttività: la proprietà universale per trasmissione di calore, elettricità e suono
La capacità di un materiale di trasmettere calore, elettricità o suono è chiamata conduttività — ma ciascuna è un fenomeno fisico distinto con meccanismi, unità e classifiche di materiali diversi.
Conduttività termica (k, λ, o κ)
- Definizione: flusso di calore per unità di gradiente di temperatura. q = -k ∇T
- Unità: W/(m·K)
- Meccanismo: vibrazioni reticolari (fononi) + trasporto elettroni liberi
- Materiali top: Diamante (2000), Argento (429), Rame (401), Grafene (~5000), Alluminio (237)
- Isolanti: Aerogel (0,013), Schiuma poliuretanica (0,026), Legno (0,12–0,19)
Conduttività elettrica (σ o κ)
- Definizione: densità di corrente per unità di campo elettrico. J = σE
- Unità: Siemens/metro (S/m). Reciproco: resistività (Ω·m)
- Meccanismo: deriva elettroni/liberi buchi in banda di conduzione
- Materiali top: Argento (63×10⁶), Rame (59,6×10⁶), Oro (45,2×10⁶), Alluminio (37,8×10⁶)
- Isolanti: PTFE (10⁻¹⁸), Vetro (10⁻¹²), Legno secco (10⁻⁸)
Legge di Wiedemann-Franz: per i metalli, il rapporto conduttività termica/elettrica ∝ temperatura (numero di Lorenz). I buoni conduttori elettrici sono buoni conduttori termici.
Conduttività del suono (impedenza acustica / trasmissione)
- Non un singolo scalare "conduttività" — governata da impedenza acustica Z = ρc (densità × velocità del suono)
- Coefficiente di trasmissione all'interfaccia: T = 4Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)²
- Meccanismo: propagazione onde meccaniche (longitudinale + taglio)
- Buoni trasmettitori: Acciaio (Z≈47 MRayl), Acqua (1,5), Alluminio (17)
- Buoni isolanti (assorbenti): Schiuma, Fibra di vetro, Aria (Z≈0,0004) — disaccoppiamento d'impedenza riflette il suono
Confronto classifica materiali
| Materiale | Termica (W/m·K) | Elettrica (MS/m) | Impedenza acustica (MRayl) |
|---|---|---|---|
| Argento | 429 | 63 | — |
| Rame | 401 | 59,6 | — |
| Alluminio | 237 | 37,8 | 17 |
| Acciaio | 50 | 6–10 | 47 |
| Acqua | 0,6 | 0,005–5 | 1,5 |
| Vetro | 1,0 | 10⁻¹² | 13 |
| Aria | 0,026 | 0 | 0,0004 |
Intuizione chiave
Nessun materiale è "universalmente conduttivo". I metalli conducono calore ed elettricità bene ma riflettono il suono (alto disaccoppiamento d'impedenza con l'aria). I materiali porosi assorbono il suono ma isolano termicamente ed elettricamente. Progetta per il dominio energetico specifico — gestione termica, conduzione elettrica o controllo acustico — usando materiali ottimizzati per quella fisica.