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Resistenza termica al contatto

L'utilità dell'analogia tra flusso della corrente elettrica e flusso del calore è evidente quando è necessario descrivere il trasferimento del calore nell'interfaccia di due mezzi di conduzione. A causa dei limiti imposti dalla lavorazione, due superfici solide non potranno mai realizzare un contatto perfetto quando vengono premute insieme. Rimarranno sempre piccoli vuoti d'aria tra le due superfici a contatto a causa della rugosità superficiale.

Nell'interfaccia tra due superfici a contatto esistono due modi di trasferimento termico. Il primo è la conduzione tra i punti con contatto solido-solido (Qconduzione), molto efficace. Il secondo è la conduzione tra vuoti riempiti di gas (Qvuoto) che, a causa della bassa conducibilità termica, può essere molto scarsa. Per considerare la resistenza termica al contatto, una conduttanza interfacciale, hc, viene posta in serie con i mezzi di conduzione su entrambi i lati, come illustrato nella figura.

La conducibilità hc è simile al coefficiente di trasferimento termico per convezione e utilizza le stesse unità (W/m2 ºK). Se ΔT è la differenza di temperatura attraverso un'interfaccia di area A, l'intervallo di trasferimento termico Q è dato da Q = A hc ΔT. Utilizzando l'analogia termoelettrica, è possibile riscrivere Q = ΔT/Rt, dove Rt è la resistenza al contatto termico risultante da Rt = 1/(A hc).

La conduttanza interfacciale, hc, dipende dai seguenti fattori:

  • la finitura superficiale delle facce a contatto.
  • Il materiale di ciascuna faccia.
  • La pressione alla quale viene forzato il contatto tra le superfici.
  • La sostanza nei vuoti tra le due facce a contatto.

La seguente tabella mostra alcuni valori tipici della conduttanza interfacciale per finiture di superficie normali e pressioni di contatto moderate (da 1 a 10 atm). I vuoti d'aria non sono evacuati, salvo se diversamente indicato:

Resistenza termica, RtermicaX10-4 (m2.K/W)
 
pressione di contatto 100 kN/m2 10.000 kN/m2
Acciaio inossidabile 6-25 0,7-4,0
Rame 1-10 0,1-0,5
Magnesio 1,5-3,5 0,2-0,4
Alluminio 1,5-5,0 0,2-0,4

La seguente tabella elenca le resistenze termica al contatto per interfacce metalliche in condizioni di vuoto:

Facce a contatto Conducibilità (hc) (W/m2 ºK)
Ferro/alluminio 45.000
Rame/rame 10.000 - 25.000
Alluminio/alluminio 2200 - 12.000
Acciaio inossidabile/acciaio inossidabile 2000 - 3700
Acciaio inossidabile/acciaio inossidabile (vuoti evacuati) 200 - 1100
Ceramica/ceramica 500 - 3000


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