O que têm em comum garrafas de cerveja de vidro, garrafas de aço inoxidável, e pêlos de urso polar?
Sim, todos eles são grandes isoladores, mas a razão pela qual podem surpreendê-lo!
O que é o Isolamento?
Para aprender o que faz um grande isolador, vamos primeiro ver exactamente o que é o isolamento. Existem muitos tipos de isolamento – térmico, sonoro, eléctrico, etc. Para os nossos fins, vamos falar de isolamento térmico, que reduz a transferência de calor entre objectos reflectindo radiação térmica ou diminuindo a condução térmica e a convecção de um objecto para o outro (mais sobre isto num instante). Em termos básicos, o isolamento térmico é o que mantém o seu café quente numa caneca isolada e as suas mãos quentes em luvas.
Tipos de Transferência de Calor
Um equívoco comum é que o isolamento mantém o frio fora, quando na realidade a função do isolamento é reduzir a transferência de calor, o que significa que mantém o calor dentro. A energia térmica transferirá para objectos próximos de temperatura mais baixa, o que se pode sentir quando o café quente é derramado na caneca de café, a menos que a transferência seja retardada ou interrompida por um isolante térmico.
Para compreender o que faz um grande isolante térmico, terá de compreender os três métodos de transferência de calor: Condução, Convecção, e Radiação.
Condução: O processo pelo qual o calor é transferido de uma área de maior energia cinética (temperatura mais elevada) para uma área de menor energia cinética (temperatura mais baixa), por exemplo, tocando num cabo quente. Ocorre através do contacto físico e é a forma mais comum de transferência de calor.
Convecção: O processo pelo qual um gás ou líquido é aquecido e depois se afasta da fonte, por exemplo, sentindo o ar quente acima de um pote a ferver.
Radiação: O processo de transferência de calor através de ondas electromagnéticas, p.ex. calor do sol.
Isoladores térmicos
O trabalho de um isolador térmico é reduzir a transferência de calor – quer mantendo o objecto pretendido quente ou frio. Um grande exemplo de um isolador térmico é uma garrafa de água de aço inoxidável, que mantém as bebidas frias frias e as quentes – tudo no mesmo dispositivo! Mas aqui está a parte perplexa – o aço inoxidável não é um bom isolante térmico – de facto, é um melhor condutor.
Luva superior falou com Paul Faucher, um engenheiro principal da NOVO Engineering, para chegar ao fundo deste mistério.
“A garrafa de água de aço inoxidável é um exemplo tão interessante porque muitas pessoas não se apercebem que não é o aço inoxidável que fornece o isolamento – é um vácuo”, explicou Faucher. “A garrafa de aço inoxidável é na realidade duas garrafas – uma em cima da outra com um pequeno espaço no meio. Este espaço é vazio de ar e cria realmente um vácuo – é este vácuo que fornece o isolamento”
Faucher explicou que o vácuo é um dos isoladores mais conhecidos, mas que o próprio ar é também um excelente isolador e um contribuinte principal para as propriedades isolantes de itens como luvas de forno e isolamento em fibra de vidro. São as bolsas de ar dentro destes materiais que retardam muito mais a transferência de calor do que os próprios materiais.
“A NASA utiliza efectivamente bolsas de ar para ajudar a evitar que os vaivéns espaciais ardam ao reentrarem na Terra.”
Isoladores térmicos para tecidos
Quando se trata de isoladores térmicos para tecidos, a luta pelos fabricantes tem sido sempre tamanho vs. eficácia. Quanto mais volumosa for a luva ou o vestuário, melhores serão as propriedades isolantes, mas mais desconfortável será para a pessoa que o usa.
“Isolante para a sua roupa funciona muito como para a sua casa – um tecido isolante é tecido juntamente com muito espaço para o ar. Usar tecidos ocos e tecê-los frouxamente juntos é a melhor forma de isolar a roupa, mas tal como o isolamento doméstico, isto cria um material volumoso que nem sempre é prático para o utilizador”, explicou Adam Bahret, Proprietário e Engenheiro Chefe da Apex Ridge, uma empresa de consultoria de engenharia de fiabilidade de produto.
“Itens como o vidro e a cerâmica fazem isoladores fantásticos quando quebrados em fibras e tecidos num tecido”, explica Bahret. “Um dos maiores desafios para os tecidos isolantes concebidos para manter a energia calorífica é como produzir essas propriedades isolantes sem grandes quantidades. Tecidos como o Thinsulate® superaram com sucesso este desafio, fornecendo um grande isolamento num tecido fino”
Uma das formas mais criativas, mas eficazes, de isolamento que Bahret alguma vez encontrou, envolveu uma forma engenhosa de isolar casas em países do terceiro mundo. A ideia é incrivelmente simples, mas funciona extremamente bem. As garrafas de vidro de cerveja são utilizadas para construir uma parede e mantidas juntas por argamassa. A ocosidade e a forma redonda das garrafas tornam-nas excelentes isoladores térmicos, enquanto que a transparência das garrafas deixa entrar muita luz natural. Torna-se uma forma funcional e rentável de construir uma casa isolada.
O Futuro do Isolamento
Como será o isolamento no futuro? Serão descobertos novos materiais que irão mudar drasticamente a forma como as roupas isolantes são feitas e usadas? Paul Faucher pensa assim.
Na verdade, Faucher acredita que o futuro do isolamento já está aqui – é demasiado caro.
“No futuro, penso que verá novos isoladores de microtubos e microesferas baseadas na tecnologia utilizada para fabricar nanotubos de carbono (microtubos). Estes serão utilizados para fornecer as propriedades isolantes desejadas em tecidos finos e resistentes ao desgaste, filmes, e mesmo peças moldadas”, prevê Faucher.
“Os microtubos são isoladores microscopicamente pequenos e excelentes devido à sua ocosidade, que aprisiona o ar. Trabalham muito como penas de penugem, que também são ocas, para isolar a energia térmica. Como qualquer pessoa com um casaco de penugem sabe, as propriedades isolantes são excelentes. Os microtubos levam este isolamento um passo mais longe, dado o seu tamanho microscópico, permitindo menos volume e melhores capacidades de retenção de calor”
O preço da tecnologia dos microtubos ainda o torna pouco prático para fins de consumo. À medida que o preço desce, ele acredita que veremos cada vez mais desta tecnologia utilizada em tecidos isolantes.
É uma luva de microtubo em obras para Superior Glove? Terá de esperar e ver!
O Enigma da Garrafa de Vidro, Garrafa de Aço Inoxidável, e Cabelo de Urso Polar
Voltamos finalmente ao nosso puzzle original – o que é que todos estes itens têm em comum que os torna tão grandes isoladores? Se leu o artigo e não saltou directamente para o fundo, então já sabe que é a ocosidade de ambas as garrafas que proporciona as suas propriedades isolantes superiores. O ar, um mau condutor e bom isolante, está preso na cavidade da garrafa de vidro, enquanto que as garrafas de aço inoxidável vão um passo mais longe, criando um vácuo para abrandar a energia térmica.
Mas e os pêlos de urso polar?
Simples às penas para baixo, os pêlos de urso polar são na realidade ocos. Este centro oco prende o ar e isola o urso polar do frio extremo do Ártico. Deve ser por isso que eles parecem sempre tão felizes com o frio gelado!
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P>Obrigado a Paul Faucher da NOVO Engineering e Adam Bahret da Apex Ridge pelas suas contribuições para este artigo.
Paul Faucher é um engenheiro principal da NOVO Engineering, uma empresa de consultoria que fornece serviços completos de engenharia de desenvolvimento de hardware e software desde a concepção até à fabricação piloto. A Faucher tem uma formação versátil em engenharia mecânica e física. Recebeu o seu BSME da Universidade Estatal de San Diego e tem mais de 25 anos de experiência em engenharia.
novoengineering.com
Adam Bahret é o Fundador, Proprietário, e Engenheiro Principal da Apex Ridge, uma empresa de consultoria em engenharia especializada em engenharia de fiabilidade para o desenvolvimento de produtos com clientes incluindo Google, Boeing, Amazon Robotics, e Hyundai. Bahret é um especialista em fiabilidade de sistemas mecânicos e eléctricos com mais de 20 anos de experiência no desenvolvimento de produtos. Recebeu o seu MS em Engenharia Mecânica pela Universidade Northeastern e é um engenheiro de fiabilidade certificado nacionalmente pelo ASQ, bem como membro do IEEE.
wwww.apexridge.com
