Cos’è l’isolamento e come funziona?

Cosa hanno in comune le bottiglie di birra in vetro, quelle in acciaio inossidabile e il pelo dell’orso polare?

Sì, sono tutti ottimi isolanti, ma il motivo potrebbe sorprenderti!

Che cos’è l’isolamento?

Per imparare cosa rende un ottimo isolante, guardiamo prima cosa è esattamente l’isolamento. Ci sono molti tipi di isolamento – termico, acustico, elettrico, ecc. Per i nostri scopi, parleremo di isolamento termico, che riduce il trasferimento di calore tra gli oggetti riflettendo la radiazione termica o diminuendo la conduzione termica e la convezione da un oggetto all’altro (di più su questo tra un momento). In termini di base, l’isolamento termico è ciò che mantiene il tuo caffè caldo in una tazza isolata e le tue mani calde nei guanti.

Tipi di trasferimento del calore

Un malinteso comune è che l’isolamento tiene fuori il freddo, quando in realtà la funzione dell’isolamento è quella di ridurre il trasferimento di calore, il che significa che tiene dentro il calore. L’energia termica si trasferisce agli oggetti vicini di temperatura inferiore, cosa che si può sentire mentre si versa il caffè caldo nella tazza, a meno che il trasferimento sia rallentato o fermato da un isolante termico.

Per capire cosa rende un ottimo isolante termico, è necessario comprendere i tre metodi di trasferimento del calore: Conduzione, Convezione e Radiazione.

Conduzione: Il processo attraverso il quale il calore viene trasferito da un’area di maggiore energia cinetica (temperatura più alta) ad un’area di minore energia cinetica (temperatura più bassa), ad esempio toccando una maniglia calda. Si verifica attraverso il contatto fisico ed è la forma più comune di trasferimento di calore.

Convezione: Il processo per cui un gas o un liquido viene riscaldato e poi si allontana dalla fonte, per esempio sentendo l’aria calda sopra una pentola bollente.

Radiazione: Il processo di trasferimento del calore attraverso onde elettromagnetiche, ad esempio il calore del sole.

Isolanti termici

Il compito di un isolante termico è quello di ridurre il trasferimento di calore – mantenendo l’oggetto desiderato caldo o freddo. Un grande esempio di isolante termico è una bottiglia d’acqua in acciaio inossidabile, che mantiene fresche le bevande fredde e calde quelle calde – tutto nello stesso dispositivo! Ma ecco la parte sconcertante: l’acciaio inossidabile non è un buon isolante termico, anzi, è un conduttore migliore.

Superior Glove ha parlato con Paul Faucher, un ingegnere principale di NOVO Engineering, per andare a fondo di questo mistero.

“La bottiglia d’acqua in acciaio inossidabile è un esempio interessante perché molte persone non si rendono conto che non è l’acciaio inossidabile a fornire l’isolamento – è il vuoto”, ha spiegato Faucher. “La bottiglia di acciaio inossidabile è in realtà due bottiglie – una sopra l’altra con un piccolo spazio in mezzo. Questo spazio è privo di aria e crea effettivamente un vuoto – è questo vuoto che fornisce l’isolamento.”

Faucher ha continuato a spiegare che il vuoto è uno degli isolanti più noti, ma che l’aria stessa è anche un eccellente isolante e un contributo principale alle proprietà isolanti di oggetti come guanti da forno e isolamento in fibra di vetro. Sono le sacche d’aria all’interno di questi materiali che rallentano il trasferimento di calore molto più dei materiali stessi.

“La NASA usa effettivamente le sacche d’aria per evitare che gli shuttle spaziali brucino al rientro sulla Terra.”

Isolanti termici per tessuti

Quando si tratta di isolanti termici per tessuti, la lotta per i produttori è sempre stata dimensione vs. efficacia. Più ingombrante è il guanto o l’indumento, migliori sono le proprietà isolanti, ma più è scomodo per la persona che lo indossa.

“L’isolamento per i vestiti funziona più o meno come per la casa – un tessuto isolante è tessuto insieme con molto spazio per l’aria. Usare tessuti cavi e tesserli insieme in modo lasco è il modo migliore per isolare i vestiti, ma proprio come l’isolamento domestico, questo crea un materiale ingombrante che non è sempre pratico per chi lo indossa”, ha spiegato Adam Bahret, proprietario e ingegnere capo di Apex Ridge, una società di consulenza ingegneristica sull’affidabilità dei prodotti.

“Articoli come il vetro e la ceramica sono fantastici isolanti quando vengono scomposti in fibre e tessuti in un tessuto”, spiega Bahret. “Una delle più grandi sfide per i tessuti isolanti progettati per mantenere l’energia termica all’interno è come produrre queste proprietà isolanti senza una massa enorme. Tessuti come Thinsulate® hanno superato con successo questa sfida fornendo un grande isolamento in un tessuto sottile.”

Una delle forme più creative, ma efficaci, di isolamento in cui Bahret si è imbattuto riguarda un modo ingegnoso per isolare le case nei paesi del terzo mondo. L’idea è incredibilmente semplice ma funziona estremamente bene. Le bottiglie di birra di vetro sono usate per costruire un muro e tenute insieme dalla malta. La cavità e la forma rotonda delle bottiglie le rende eccellenti isolanti termici, mentre la trasparenza delle bottiglie lascia entrare molta luce naturale. È un modo funzionale e conveniente per costruire una casa isolata.

Il futuro dell’isolamento

Come sarà l’isolamento in futuro? Saranno scoperti nuovi materiali che cambieranno drasticamente il modo in cui i vestiti isolanti sono fatti e indossati? Paul Faucher pensa di sì.

In effetti, Faucher crede che il futuro dell’isolamento sia già qui – è solo troppo costoso.

“In futuro, penso che si vedranno nuovi isolanti a microtubi e microsfere basati sulla tecnologia usata per produrre nanotubi di carbonio (microtubi). Questi saranno utilizzati per fornire le proprietà isolanti desiderate in tessuti sottili, indossabili, film e persino parti stampate”, prevede Faucher.

“I microtubi sono microscopicamente piccoli ed eccellenti isolanti grazie alla loro cavità, che intrappola l’aria. Funzionano molto come le piume, che sono anch’esse cave, per isolare l’energia termica. Come sa chiunque abbia un piumino, le proprietà isolanti sono eccellenti. I microtubi fanno un ulteriore passo avanti in questo isolamento, data la loro dimensione microscopica, consentendo una minore massa e una migliore capacità di trattenere il calore.”

Il prezzo della tecnologia dei microtubi la rende ancora poco pratica per scopi di consumo. Man mano che il prezzo scende, crede che vedremo sempre più spesso questa tecnologia impiegata nei tessuti isolanti.

C’è un guanto con microtubi in cantiere per Superior Glove? Bisogna aspettare e vedere!

Il puzzle della bottiglia di vetro, della bottiglia di acciaio inossidabile e dei peli di orso polare

Siamo finalmente tornati al nostro puzzle originale: cosa hanno in comune tutti questi oggetti che li rende degli ottimi isolanti? Se hai letto l’articolo e non sei andato fino in fondo, allora sai già che è la cavità di entrambe le bottiglie a fornire le loro proprietà isolanti superiori. L’aria, un povero conduttore e un buon isolante, è intrappolata nella cavità della bottiglia di vetro, mentre le bottiglie di acciaio inossidabile fanno un ulteriore passo avanti creando un vuoto per rallentare l’energia termica.

Ma che dire del pelo dell’orso polare? Questo centro cavo intrappola l’aria e isola l’orso polare dal freddo estremo dell’Artico. Questo deve essere il motivo per cui sembrano sempre così felici nel freddo gelido!

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Grazie a Paul Faucher di NOVO Engineering e Adam Bahret di Apex Ridge per i loro contributi a questo articolo.

Paul Faucher è un ingegnere principale di NOVO Engineering, una società di consulenza che fornisce servizi completi di ingegneria di sviluppo hardware e software dal concetto alla produzione pilota. Faucher ha un background versatile in ingegneria meccanica e fisica. Ha ricevuto il suo BSME dalla San Diego State University e ha oltre 25 anni di esperienza nel campo dell’ingegneria.
novoengineering.com

Adam Bahret è il fondatore, proprietario e ingegnere capo di Apex Ridge, una società di consulenza ingegneristica specializzata in ingegneria dell’affidabilità per lo sviluppo del prodotto con clienti tra cui Google, Boeing, Amazon Robotics e Hyundai. Bahret è un esperto di affidabilità dei sistemi meccanici ed elettrici con oltre 20 anni di esperienza nello sviluppo dei prodotti. Ha conseguito un master in ingegneria meccanica presso la Northeastern University ed è un ingegnere di affidabilità certificato a livello nazionale ASQ, nonché membro di IEEE.
www.apexridge.com