¿Qué tienen en común las botellas de cerveza de vidrio, las de acero inoxidable y el pelo de oso polar?
Sí, todos son grandes aislantes, pero el motivo puede sorprenderte
¿Qué es el aislamiento?
Para saber qué es un gran aislante, veamos primero qué es exactamente el aislamiento. Hay muchos tipos de aislamiento: térmico, acústico, eléctrico, etc. Para nuestros propósitos, vamos a hablar del aislamiento térmico, que reduce la transferencia de calor entre objetos, ya sea reflejando la radiación térmica o disminuyendo la conducción y convección térmica de un objeto a otro (más sobre esto en un momento). En términos básicos, el aislamiento térmico es lo que mantiene el café caliente en una taza aislada y las manos calientes en unos guantes.
Tipos de transferencia de calor
Un error común es pensar que el aislamiento mantiene el frío fuera, cuando en realidad la función del aislamiento es reducir la transferencia de calor, lo que significa que mantiene el calor dentro. La energía calorífica se transferirá a los objetos cercanos de menor temperatura, lo que puede sentir al verter el café caliente en su taza, a menos que la transferencia se ralentice o se detenga mediante un aislante térmico.
Para entender qué hace un gran aislante térmico, tendrá que entender los tres métodos de transferencia de calor: Conducción, Convección y Radiación.
Conducción: Es el proceso por el cual el calor se transfiere desde una zona de mayor energía cinética (mayor temperatura) a una zona de menor energía cinética (menor temperatura), por ejemplo, al tocar un mango caliente. Se produce por contacto físico y es la forma más común de transferencia de calor.
Convección: El proceso por el cual un gas o un líquido se calienta y luego se aleja de la fuente, por ejemplo, sentir el aire caliente sobre una olla hirviendo.
Radiación: El proceso de transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas, por ejemplo, el calor del sol.
Aislantes térmicos
El trabajo de un aislante térmico es reducir la transferencia de calor – manteniendo el objeto previsto caliente o frío. Un gran ejemplo de aislante térmico es una botella de agua de acero inoxidable, que mantiene las bebidas frías frías y las calientes calientes – ¡todo en el mismo dispositivo! Pero aquí está lo desconcertante: el acero inoxidable no es un buen aislante térmico; de hecho, es un mejor conductor.
Guante Superior habló con Paul Faucher, ingeniero principal de NOVO Engineering, para llegar al fondo de este misterio.
«La botella de agua de acero inoxidable es un ejemplo tan interesante porque mucha gente no se da cuenta de que no es el acero inoxidable el que proporciona el aislamiento: es el vacío», explicó Faucher. «La botella de acero inoxidable es en realidad dos botellas, una encima de la otra, con un pequeño espacio entre ellas. Este espacio carece de aire y crea un vacío; es este vacío el que proporciona el aislamiento».
Faucher continuó explicando que el vacío es uno de los aislantes más conocidos, pero que el aire en sí mismo también es un excelente aislante y uno de los principales contribuyentes a las propiedades aislantes de artículos como los guantes de cocina y el aislamiento de fibra de vidrio. Son las bolsas de aire dentro de estos materiales las que ralentizan la transferencia de calor mucho más que los propios materiales.
«La NASA utiliza de hecho las bolsas de aire para ayudar a evitar que los transbordadores espaciales se quemen al volver a la Tierra.»
Aislantes térmicos para tejidos
Cuando se trata de aislantes térmicos para tejidos, la lucha de los fabricantes siempre ha sido el tamaño frente a la eficacia. Cuanto más voluminoso es el guante o la prenda, mejores son sus propiedades aislantes, pero más incómodo es para la persona que lo lleva.
«El aislamiento para la ropa funciona de forma muy parecida al de la casa: un tejido aislante se teje con mucho espacio para el aire. La mejor manera de aislar la ropa es utilizar telas huecas y entrelazarlas sin apretarlas, pero, al igual que ocurre con el aislamiento del hogar, esto crea un material voluminoso que no siempre es práctico para el usuario», explica Adam Bahret, propietario e ingeniero jefe de Apex Ridge, una empresa de consultoría de ingeniería de fiabilidad de productos.
«Elementos como el vidrio y la cerámica son fantásticos aislantes cuando se descomponen en fibras y se tejen en un tejido», explica Bahret. «Uno de los mayores retos de los tejidos aislantes diseñados para mantener la energía térmica es cómo producir esas propiedades aislantes sin un volumen masivo. Los tejidos como Thinsulate® han superado con éxito este reto al proporcionar un gran aislamiento en un tejido fino».
Una de las formas de aislamiento más creativas, aunque eficaces, con las que se ha topado Bahret tenía que ver con una ingeniosa forma de aislar los hogares en los países del tercer mundo. La idea es increíblemente sencilla pero funciona extremadamente bien. Las botellas de cerveza de vidrio se utilizan para construir una pared y se mantienen unidas con mortero. El hueco y la forma redonda de las botellas las convierten en excelentes aislantes térmicos, mientras que la transparencia de las botellas deja pasar mucha luz natural. Es una forma funcional y económica de construir una casa aislada.
El futuro del aislamiento
¿Cómo será el aislamiento en el futuro? Se descubrirán nuevos materiales que cambiarán drásticamente la forma de fabricar y usar la ropa aislante? Paul Faucher cree que sí.
De hecho, Faucher cree que el futuro del aislamiento ya está aquí, sólo que es demasiado caro.
«En el futuro, creo que se verán nuevos aislantes de microtubos y microesferas basados en la tecnología utilizada para fabricar nanotubos de carbono (microtubos). Se utilizarán para proporcionar las propiedades aislantes deseadas en tejidos finos, películas e incluso piezas moldeadas», predice Faucher.
«Los microtubos son microscópicamente pequeños y excelentes aislantes debido a su oquedad, que atrapa el aire. Funcionan de forma muy parecida a las plumas de plumón, que también son huecas, para aislar la energía térmica. Como sabe cualquiera que tenga una chaqueta de plumón, sus propiedades aislantes son excelentes. Los microtubos llevan este aislamiento un paso más allá gracias a su tamaño microscópico, lo que permite reducir el volumen y mejorar la capacidad de retención del calor.»
El precio de la tecnología de los microtubos aún la hace poco práctica para los consumidores. A medida que el precio baje, cree que veremos cada vez más esta tecnología empleada en tejidos aislantes.
¿Se está preparando un guante de microtubos para Superior Glove? Tendrás que esperar y ver!
El rompecabezas de la botella de vidrio, la botella de acero inoxidable y el pelo de oso polar
Por fin hemos vuelto a nuestro rompecabezas original: ¿qué tienen en común todos estos elementos para ser tan buenos aislantes? Si has leído el artículo y no has saltado hasta el final, entonces ya sabes que es la oquedad de ambas botellas lo que les proporciona sus propiedades aislantes superiores. El aire, un mal conductor y buen aislante, queda atrapado en la oquedad de la botella de vidrio, mientras que las botellas de acero inoxidable van un paso más allá al crear un vacío para frenar la energía térmica.
Pero, ¿qué pasa con el pelo del oso polar?
Similar a las plumas de plumón, el pelo del oso polar es realmente hueco. Este centro hueco atrapa el aire y aísla al oso polar del frío extremo del Ártico. Por eso siempre parecen tan felices en el frío extremo.
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Gracias a Paul Faucher de NOVO Engineering y a Adam Bahret de Apex Ridge por sus contribuciones a este artículo.
Paul Faucher es un ingeniero principal en NOVO Engineering, una empresa de consultoría que proporciona servicios integrales de ingeniería de desarrollo de hardware y software desde el concepto hasta la fabricación piloto. Faucher tiene una formación versátil en ingeniería mecánica y física. Se licenció en la Universidad Estatal de San Diego y cuenta con más de 25 años de experiencia en ingeniería.
novoengineering.com
Adam Bahret es el fundador, propietario e ingeniero principal de Apex Ridge, una consultora de ingeniería especializada en ingeniería de fiabilidad para el desarrollo de productos con clientes como Google, Boeing, Amazon Robotics y Hyundai. Bahret es un experto en fiabilidad de sistemas mecánicos y eléctricos con más de 20 años de experiencia en el desarrollo de productos. Recibió su maestría en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Northeastern y es un ingeniero de fiabilidad certificado a nivel nacional por ASQ, así como miembro de IEEE.
www.apexridge.com
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