11. PROPRIETÀ TERMICHE

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1 11. PROPRIETÀ TERMICHE Dilaazione e conrazione Come alri maeriali, anche il legno, ende a dilaarsi quando viene riscaldao (dilaazione ermica), e viceversa ende a conrarsi quando si raffredda (conrazione ermica). Da un puno di via praico quese variazioni dimensionali sono poco imporani poiché molo piccole rispeo a quelle dovue al rigonfiameno e al riiro, spesso simulanei alla conrazione e alla dilaazione ermica, in quano le variazioni emperaura inducono variazioni di umidià Coefficiene di dilaazione ermica E riferio allo sao anidro e misura l allungameno uniario di un corpo all aumeno di 1 C della emperaura del corpo sesso. Il coefficiene di dilaazione ermica è differene a seconda della direzione anaomica consideraa: minore in direzione assiale (longiudinale) rispeo alla direzione rasversale agli anelli di accrescimeno; minore in direzione radiale rispeo alla direzione angenziale. La relazione ra dilaazione ermica e emperaura è pressoché lineare nelle re direzioni anaomiche. Anche la relazione ra dilaazione ermica e massa volumica è lineare, ma l influenza della massa volumica è molo ridoa nella direzione assiale. Relazione ra dilaazione ermica e emperaura per il Faggio (ρ 0 =0,593 g/cm 3 ) nel campo da -55 C a +55 C; in direzione: 1 assiale, 2 radiale, 3 angenziale. Relazione ra dilaazione ermica e massa volumica allo sao anidro; in direzione: 1 angenziale, 2 radiale, 3 assiale. Il legno fresco riscaldao in acqua, in ambiene sauro di vapore in preservani si dilaa angenzialmene e si conrae radialmene, con variazioni permaneni aribuibili a liberazione dl ensioni inerne. La dilaazione del legno in qualsiasi direzione anaomica e per una variazione dl emperaura da 1. a 2 ( C) può essere ( l 2 l1 ) calcolaa la dilaazione percenuale d = 100 dove l1 d = dilaazione (adimensionale) l 1 = lunghezza a 1 (cm) l 2 = lunghezza a 2 (cm) 163

2 Se è noo il coefficiene di dilaazione, la dilaazione può essere calcolaa Dove Δd = dilaazione (cm) α = coeff. di dilaazione (cm/cm/ C) l 1 = lunghezza iniziale d = variazione di emperaura ( C) Il coefficiene di dilaazione può essere deerminao e dao che Δ d = l 2 l1 e d Conducibilià ermica α = Δd ( l 1 d ) = allora l l [ 1 ( )] = α Δ d = α l 1 d Il significao di conducibilià ermica è l opposo di quello di capacià di isolameno ermico. Il legno presena una scarsa conducibilià ermica grazie alla sua sruura porosa. La conducibilià ermica di un maeriale è espressa dal coefficiene di conducibilià ermica (λ) come misura della quanià di calore che nell unià di empo araversa un corpo di spessore uniario e con superficie di 1 m 2, quando si maniene un gradiene di emperaura di 1 C ra le due facce del corpo Coefficiene di conducibilià ermica Il coefficiene di conducibilià ermica (λ) è espresso, nel sisema praico, in Kcal W W Kcal considerando l unià di empo; 1 = 1,163 e 1 = 0,86. m h C m C m C m h C Kcal m h C e nel S.I. W m C La conducibilià ermica è influenza da: sruura massa volumica umidià emperaura esraivi difei. Sruura La conducibilià ermica in direzione assiale è circa due vole maggiore rispeo a quella in direzione radiale e angenziale: Coefficiene di conducibilià Direzione ermica (W/m C) assiale 0,164 0,244 radiale 0,089 0,130 angenziale 0,077 0,120 La maggiore conducibilià ermica in direzione assiale è dovua alla morfologia delle fibre e alla disposizione assiale di gran pare delle cellule del legno (deviazioni delle microfibrille riducono la conducibilià ermica). La conducibilià ermica in direzione radiale è leggermene superiore rispeo a quella in direzione angenziale (5 10%) a causa della presenza dei raggi: una elevaa conducibilià ermica in direzione angenziale si osserva solo nei legni con marcae differenze di massa volumica ra legno primaiccio e legno ardivo. Il rapporo ra conducibilià ermica in direzione assiale e quella in direzione angenziale è correlao all ulrasruura del legno (angolo delle microfibrille). Un angolo ampio, come nel legno di compressione, riduce la differenza. Massa volumica La conducibilià ermica cresce in modo lineare con l aumenare della massa volumica λ = 0,177ρ 12 % + 0, 0205 valida per la conducibilià rasversale (perpendicolare alle fibre), con massa volumica compresa ra 0,2 e 0,8 kg/dm 3 e emperaura di 25 C. Umidià Quando l umidià varia di 1% al di soo del puno di saurazione delle parei cellulari la conducibilià ermica varia da 0,7 a 1,18% (variazione media 1,25%); al di sopra del puno di saurazione delle parei cellulari la 164

3 conducibilià ermica varia in modo maggiore, in generale il legno con una umidià superiore a 40% ha una conducibilià ermica di 1/3 maggiore che non il legno allo sao anidro. L effeo combinao di umidià e massa volumica può essere espresso da λ = 0,165 + ρ 0 ( 1,39 + 0,038u) dove u rappresena l umidià del legno espressa in %. Temperaura L effeo della emperaura può essere espresso da λ = λ ( 1 b) dove λ 0 = conducibilià ermica a 0 C b = 0,3 ( 1,39 270ρ0 1,5) = emperaura in C 0 + Conducibilià ermica in relazione alla emperaura e al conenuo di umidià (legno di Beulla, direzione radiale, ρ 0 =0,515 g/cm 3 ) Esraivi I legni ad elevao conenuo di esraivi (legni scuri) presenano una più ala conducibilià ermica, lo sesso avviene in presenza di legni ricchi di resine. In generale si può affermare che: il legno possiede un elevaa capacià isolane in senso rasversale; i legni leggeri sono buoni isolani; il legno secco è un buon isolane; il legno è un buon isolane a basse emperaure Calore specifico Il calore specifico di un corpo è la quanià di calore necessaria per incremenare di VC la sua unià di massa. Il calore specifico è espresso in kcal/kg C Tenuo cono che il calore specifico dell acqua è 1 (ossia è necessaria 1 cal per incremenare la emperaura di 1 g d acqua da 15 a 16 C) Il calore specifico di un corpo può essere definio come la quanià di calore necessaria per elevare la emperaura del corpo di 1 C. Il calore specifico del legno è più elevao in confrono con quello di alri maeriali (e quindi occorre più calore per aumenare la sua emperaura). Il calore specifico del legno non è praicamene influenzao dalla specie legnosa e dalla massa volumica, ma aumena quando la emperaura del legno e l umidià aumenano. 165

4 Influenza della emperaura sul calore specifico (legno allo sao anidro e coreccia): 1 e 2 legni vari; 3 e 4 Pino glabro 3 legno ardivo; 3b legno primaiccio; 4 coreccia Diffusivià ermica La diffusivià ermica è la misura del asso di variazione della emperaura del maeriale, quando la emperaura dell ambiene circosane cambia. Il legno ha una diffusivià ermica inferiore all acciaio. Per ale moivo il legno risula caldo al ao. La diffusivià ermica è minore in legni con ridoa umidià ed elevaa massa volumica. In alo: Andameno delle emperaure in funzione del empo a diverse disanze dalla superficie eserna in legnami ondi di Ø rispeivi di 300 e 600 mm. In basso: andameno delle isoerme per uno squadrao di sezione 100 x 400 mm. 166

5 11.5. Combusione Il legno brucia per azione di ale emperaure, che producono la sua decomposizione chimica e conseguene produzione di gas infiammabili. Durane la combusione si ha: 100 C evaporazione dell umidià = C evaporazione delle sosanze volaili = C carbonizzazione superficiale e lena fuoriuscia di gas infiammabili = C veloce fuoriuscia di gas infiammabili seguia da accensione e incandescenza = C rapida accensione dei gas infiammabili e formazione di carbone incandescene. Si possono disinguere combusione viva o in fase gassosa (in presenza di ossigeno) combusione in fase solida (inizia quando si sono liberai ui i gas infiammabili) La degradazione ermo-chimica avviene per effeo delle ale emperaure, indipendenemene dalla presenza di fiamma (es.: incendio di cumuli di paricelle). L infiammabilià del legno dipende da: specie legnosa umidià emperaura dimensioni e ipo di sruura lignea. Specie Ha noevole imporanza il conenuo in esraivi, soprauo in resine. Anche la sruura è un faore imporane: specie con lunghi passaggi aperi nella massa (vasi aperi senza ille) sono più infiammabili. Le racheidi provocano un effeo negaivo, daa la loro ridoa lunghezza e la chiusura alle esremià. La combusione procede a velocià doppia in direzione assiale rispeo a quella rasversale. Umidià La presenza di umidià limia sia l accensione che il progredire della combusione. Temperaura All aumenare della emperaura Il legno divena più infiammabile (a 250 C è necessaria una scinilla o una fiamma per accendere il legno; a 500 C l accensione è sponanea). Dimensioni e ipo e ipo di sruura lignea Pari in legno di piccole dimensioni si accendono e bruciano più facilmene. Gli elemeni di grandi dimensioni bruciano con difficolà e la loro resisenza meccanica si riduce più gradualmene in confrono agli elemeni meallici. A causa della ridoa conducibilià ermica e dell elevao calore specifico del legno, nei legni duri si carbonizza solo un soile srao superficiale che agisce da isolane rallenando il progredire della combusione. 167

6 Progressione della carbonificazione: 1, srao eserno carbonizzao; 2, base dello srao eserno carbonizzao; 3, zona di pirolisi; 4, base della zona di pirolisi; 5, legno inao Poere calorifico Rappresena la quanià di calore che si sviluppa dalla combusione complea dell unià di massa. Il massimo valore del poere calorifico per il legno (allo sao anidro) è pari mediamene a 4500 kcal/kg, con opporune differenze sia ra le specie che all inerno della sessa specie e della sessa piana. Valori massimi di poere calorifico del legno allo sao anidro deerminai in laboraorio. Specie Legno (kcal/kg) Coreccia (kcal/kg) Cipresso 5920 Douglasia Abee Larice 4050 Pini Abee rosso Onano Frassino Faggio Beulla Robinia 4500 Carpino 4060 Acero Quercia Pioppo Salice Nella praica al valori si riducono a causa delle perdie di gas infiammabili e del calore speso per evaporare l umidià. 168

7 Il poere calorifico è influenzao da: umidià esraivi composizione chimica del legno. Umidià L umidià riduce Il poere calorifico secondo la relazione H ( u) ( 1+ u) =, dove H rappresena i poere calorifico (kcal/kg) del legno all umidià u, con u = % del peso anidro espressa in valore decimale. Il poere calorifico allo sao fresco si oiene applicando la relazione = H (0,00114H u ), dove H è il H a a 1 poere calorifico (kcal/kg) all umidià u 1, H a = poere calorifico allo sao anidro, e u 1 = umidià % rispeo al peso fresco. Esraivi Gli esraivi hanno noevole imporanza sui valori di poere calorifico. Le resine possiedono un poere calorifico elevao (8500 kcal/kg) e per quesa ragione i legni di Conifere manifesano più elevai valori di poere calorifico. Composizione chimica La lignina ha un poere calorifico superiore (6100 kcal/ kg) rispeo alla cellulosa ( kcal/kg). Principali proprieà ermiche del legno e di alcuni maeriali Maeriale Conducibilià ermica kcal m/h m 2 C Calore specifico kcal/kg C Massa volumica g/cm 3 Alluminio 173 0,22 2,7 Acciaio 38,3 0,12 7,8 Calcesruzzo 1,55 0,25 2,2 Maone 0,62 0,20 1,6 Douglasia 0,10 0,39 0,49 Quercia 0,15 0,39 0,72 Il legno è considerao sagionao e i valori si riferiscono alla direzione rasversale 169