Co mają ze sobą wspólnego szklane butelki po piwie, butelki ze stali nierdzewnej i włosy niedźwiedzia polarnego?
Tak, wszystkie są świetnymi izolatorami, ale powód dlaczego może Cię zaskoczyć!
Czym jest izolacja?
Aby dowiedzieć się, co sprawia, że izolator jest świetny, przyjrzyjmy się najpierw, czym dokładnie jest izolacja. Istnieje wiele rodzajów izolacji – termiczna, akustyczna, elektryczna itd. Dla naszych celów będziemy mówić o izolacji termicznej, która zmniejsza wymianę ciepła pomiędzy obiektami poprzez odbijanie promieniowania cieplnego lub zmniejszanie przewodzenia i konwekcji ciepła z jednego obiektu do drugiego (więcej na ten temat za chwilę). W podstawowych terminach, izolacja termiczna jest tym, co sprawia, że Twoja kawa jest gorąca w izolowanym kubku, a dłonie ciepłe w rękawiczkach.
Typy wymiany ciepła
Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że izolacja utrzymuje zimno na zewnątrz, podczas gdy w rzeczywistości funkcją izolacji jest zmniejszenie transferu ciepła, co oznacza, że utrzymuje ona ciepło w środku. Energia cieplna będzie przekazywana do pobliskich obiektów o niższej temperaturze, co można odczuć, gdy gorąca kawa wlewa się do kubka, chyba że przekazywanie to zostanie spowolnione lub zatrzymane przez izolator termiczny.
Aby zrozumieć, co czyni izolator termiczny doskonałym, należy poznać trzy metody przekazywania ciepła: Przewodzenie, Konwekcja i Promieniowanie.
Kondukcja: Proces, w którym ciepło jest przenoszone z obszaru o większej energii kinetycznej (wyższej temperaturze) do obszaru o niższej energii kinetycznej (niższej temperaturze), np. dotknięcie gorącego uchwytu. Występuje poprzez kontakt fizyczny i jest najczęstszą formą przekazywania ciepła.
Konwekcja: Proces, w którym gaz lub ciecz jest ogrzewana, a następnie przemieszcza się z dala od źródła, np. odczuwanie gorącego powietrza nad gotującym się garnkiem.
Promieniowanie: Proces przekazywania ciepła poprzez fale elektromagnetyczne, np. ciepło ze słońca.
Izolatory termiczne
Zadaniem izolatora termicznego jest zmniejszenie transferu ciepła – albo utrzymywanie zamierzonego obiektu w stanie gorącym, albo zimnym. Świetnym przykładem izolatora termicznego jest butelka na wodę ze stali nierdzewnej, która utrzymuje zimne napoje w chłodzie, a gorące w cieple – wszystko w tym samym urządzeniu! Ale tu pojawia się zagadka – stal nierdzewna nie jest dobrym izolatorem termicznym – w rzeczywistości jest lepszym przewodnikiem.
Superior Glove rozmawiał z Paulem Faucherem, głównym inżynierem w NOVO Engineering, aby dotrzeć do sedna tej zagadki.
„Butelka na wodę ze stali nierdzewnej jest tak interesującym przykładem, ponieważ wiele osób nie zdaje sobie sprawy, że to nie stal nierdzewna zapewnia izolację – to próżnia”, wyjaśnił Faucher. „Butelka ze stali nierdzewnej to tak naprawdę dwie butelki – jedna na drugiej z niewielką przestrzenią pomiędzy nimi. Ta przestrzeń jest pozbawiona powietrza i tworzy próżnię – to właśnie ona zapewnia izolację.”
Faucher wyjaśnił, że próżnia jest jednym z najlepiej znanych izolatorów, ale samo powietrze jest również doskonałym izolatorem i głównym czynnikiem wpływającym na właściwości izolacyjne takich przedmiotów jak rękawice kuchenne czy izolacja z włókna szklanego. To właśnie kieszenie powietrzne w tych materiałach spowalniają transfer ciepła znacznie bardziej niż same materiały.
„NASA faktycznie używa kieszeni powietrznych, aby pomóc utrzymać promy kosmiczne przed spaleniem się podczas ponownego wejścia na Ziemię.”
Izolatory termiczne dla tkanin
Jeśli chodzi o izolatory termiczne dla tkanin, walka producentów zawsze toczyła się na linii rozmiar vs. skuteczność. Im grubsza rękawica lub ubranie, tym lepsze właściwości izolacyjne, ale tym bardziej niewygodne dla noszącej je osoby.
„Izolacja ubrań działa podobnie jak w przypadku domu – tkanina izolacyjna jest tkana razem z dużą ilością miejsca na powietrze. Używanie pustych w środku tkanin i luźne tkanie ich razem jest najlepszym sposobem na izolację odzieży, ale podobnie jak w przypadku izolacji domowej, tworzy to nieporęczny materiał, który nie zawsze jest praktyczny dla użytkownika” – wyjaśnia Adam Bahret, właściciel i główny inżynier w Apex Ridge, firmie konsultingowej zajmującej się inżynierią niezawodności produktów.
„Przedmioty takie jak szkło i ceramika są fantastycznymi izolatorami, gdy zostaną rozbite na włókna i utkane w tkaninę” – wyjaśnia Bahret. „Jednym z największych wyzwań dla tkanin izolacyjnych przeznaczonych do zatrzymywania energii cieplnej jest to, jak uzyskać te właściwości izolacyjne bez ogromnej masy. Tkaniny takie jak Thinsulate® z powodzeniem poradziły sobie z tym wyzwaniem, zapewniając doskonałą izolację w cienkiej tkaninie.”
Jedna z najbardziej kreatywnych, a zarazem skutecznych form izolacji, z jaką Bahret kiedykolwiek się zetknął, dotyczyła pomysłowego sposobu izolowania domów w krajach trzeciego świata. Pomysł jest niezwykle prosty, ale działa niezwykle dobrze. Szklane butelki po piwie są wykorzystywane do budowy ściany i łączone zaprawą murarską. Puste przestrzenie i okrągły kształt butelek sprawiają, że są one doskonałymi izolatorami termicznymi, podczas gdy przezroczystość butelek wpuszcza mnóstwo naturalnego światła. Jest to funkcjonalny i ekonomiczny sposób na budowę izolowanego domu.
Przyszłość izolacji
Jak będzie wyglądała izolacja w przyszłości? Czy zostaną odkryte nowe materiały, które drastycznie zmienią sposób produkcji i noszenia ubrań izolacyjnych? Paul Faucher uważa, że tak.
W rzeczywistości Faucher uważa, że przyszłość izolacji już istnieje – jest po prostu zbyt droga.
„Myślę, że w przyszłości pojawią się nowe izolatory w postaci mikrorurek i mikrosfer oparte na technologii wykorzystywanej do produkcji nanorurek węglowych (mikrotub). Będą one wykorzystywane do zapewnienia pożądanych właściwości izolacyjnych w cienkich, nadających się do noszenia tkaninach, foliach, a nawet częściach formowanych” – przewiduje Faucher.
„Mikrorurki są mikroskopijnie małe i są doskonałymi izolatorami ze względu na ich zagłębienie, które zatrzymuje powietrze. Działają podobnie do piór puchowych, które również są puste w środku, izolując energię cieplną. Jak każdy, kto ma kurtkę puchową, wie, że właściwości izolacyjne są doskonałe. Mikrorurki posuwają tę izolację o krok dalej, biorąc pod uwagę ich mikroskopijny rozmiar, pozwalając na mniejszą objętość i lepsze możliwości zatrzymywania ciepła.”
Cena technologii mikrorurek wciąż czyni ją niepraktyczną dla celów konsumenckich. Wierzy on, że w miarę obniżania się ceny, będziemy widzieć coraz więcej tej technologii stosowanej w tkaninach izolacyjnych.
Czy rękawice z mikrorurkami są w planach Superior Glove? Musisz poczekać i zobaczyć!
Zagadka Szklanej Butelki, Butelki ze Stali Nierdzewnej i Włosów Niedźwiedzia Polarnego
W końcu wróciliśmy do naszej pierwotnej zagadki – co te wszystkie przedmioty mają wspólnego, co sprawia, że są tak wspaniałymi izolatorami? Jeśli przeczytałeś artykuł i nie przeskoczyłeś do samego dołu, to już wiesz, że to właśnie puste przestrzenie w obu butelkach zapewniają im doskonałe właściwości izolacyjne. Powietrze, słaby przewodnik i dobry izolator, jest uwięzione w zagłębieniu szklanej butelki, podczas gdy butelki ze stali nierdzewnej idą o krok dalej, tworząc próżnię, aby spowolnić energię cieplną.
A co z włosami niedźwiedzia polarnego?
Podobne do puchowych piór, włosy niedźwiedzia polarnego są w rzeczywistości puste. To puste centrum zatrzymuje powietrze i izoluje niedźwiedzia polarnego od ekstremalnego zimna Arktyki. To musi być powód, dla którego zawsze wyglądają tak szczęśliwie na mrozie!
Szukasz rękawiczek, które zapewnią Ci izolację dłoni tej zimy? Sprawdź naszą linię rękawic zimowych!
_____________________________________________________________________________________
Dziękuję Paulowi Faucherowi z NOVO Engineering i Adamowi Bahretowi z Apex Ridge za ich wkład w powstanie tego artykułu.
Paul Faucher jest głównym inżynierem w NOVO Engineering, firmie konsultingowej, która zapewnia kompleksowe usługi inżynieryjne w zakresie rozwoju sprzętu i oprogramowania od koncepcji do produkcji pilotażowej. Faucher posiada wszechstronne wykształcenie w dziedzinie inżynierii mechanicznej i fizyki. Uzyskał tytuł BSME na San Diego State University i ma ponad 25 lat doświadczenia inżynierskiego.
novoengineering.com
Adam Bahret jest założycielem, właścicielem i głównym inżynierem Apex Ridge, firmy konsultingowej specjalizującej się w inżynierii niezawodności dla rozwoju produktów, z klientami takimi jak Google, Boeing, Amazon Robotics i Hyundai. Bahret jest ekspertem w dziedzinie niezawodności systemów mechanicznych i elektrycznych z ponad 20-letnim doświadczeniem w rozwoju produktów. Otrzymał tytuł magistra inżyniera mechanika na Uniwersytecie Northeastern i jest certyfikowanym inżynierem niezawodności ASQ oraz członkiem IEEE.
www.apexridge.com
Czytaj więcej Tony Geng