Co wspólnego mają ze sobą szklane butelki po piwie, butelki ze stali nierdzewnej i włosy niedźwiedzia polarnego?

Tak, wszystkie są świetnymi izolatorami, ale powód, dla którego tak się dzieje, może Cię zaskoczyć!

Czym jest izolacja?

Aby dowiedzieć się, co sprawia, że dany produkt jest świetnym izolatorem, 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 prostych słowach, izolacja termiczna jest tym, co sprawia, że Twoja kawa jest gorąca w izolowanym kubku, a Twoje ręce są ciepłe w rękawiczkach.

Rodzaje wymiany ciepła

Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że izolacja chroni przed zimnem, podczas gdy w rzeczywistości funkcją izolacji jest ograniczenie transferu ciepła, co oznacza, że zatrzymuje ona ciepło w środku. Energia cieplna będzie przenosić się do pobliskich obiektów o niższej temperaturze, co można odczuć, gdy gorąca kawa wlewa się do kubka, chyba że transfer ten zostanie spowolniony lub zatrzymany przez izolator termiczny.

Aby zrozumieć, co czyni izolator termiczny doskonałym, musisz poznać trzy metody przekazywania ciepła: Przewodzenie, Konwekcja i Promieniowanie.

Przewodzenie:

Proces, w którym ciepło jest przekazywane z obszaru o większej energii kinetycznej (wyższej temperaturze) do obszaru o niższej energii kinetycznej (niższej temperaturze), np. dotknięcie gorącej klamki. Dzieje się to poprzez kontakt fizyczny i jest najbardziej powszechną 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 słoneczne.

Izolatory termiczne

Zadaniem izolatora termicznego jest zmniejszenie wymiany ciepła - utrzymywanie ciepła lub zimna w obiekcie, do którego jest przeznaczony. Doskonałym przykładem izolatora termicznego jest butelka na wodę ze stali nierdzewnej, która utrzymuje chłód zimnych napojów i ciepło gorących napojów - wszystko w tym samym urządzeniu! Ale tu pojawia się zagadka - stal nierdzewna nie jest dobrym izolatorem termicznym - w rzeczywistości jest lepszym przewodnikiem.

Aby rozwikłać tę zagadkę, Superior Glove rozmawiał z Paulem Faucherem, głównym inżynierem w NOVO Engineering.

"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" - wyjaśnia Faucher. "Butelka ze stali nierdzewnej to tak naprawdę dwie butelki - jedna na drugiej z niewielką przestrzenią pomiędzy nimi. Przestrzeń ta jest pozbawiona powietrza i tworzy próżnię - to właśnie ona zapewnia izolację."

Faucher wyjaśnił dalej, że próżnia jest jednym z najlepiej znanych izolatorów, ale samo powietrze jest również doskonałym izolatorem i głównym czynnikiem wpływającym na właściwości izolacyjne przedmiotów takich jak rękawice kuchenne czy izolacja z włókna szklanego. To właśnie kieszenie powietrzne w tych materiałach spowalniają transfer ciepła o wiele bardziej niż same materiały.

"NASA wykorzystuje kieszenie powietrzne, aby uchronić promy kosmiczne przed spaleniem 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 większa rękawica lub ubranie, tym lepsze właściwości izolacyjne, ale tym bardziej niewygodne dla noszącej je osoby.

"Izolacja ubrań działa podobnie jak izolacja domu - tkanina izolacyjna jest tkana razem z dużą ilością miejsca na powietrze. Używanie pustych w środku tkanin i luźne ich tkanie 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 podzielone na włókna i utkane w tkaninę" - wyjaśnia Bahret. "Jednym z największych wyzwań dla tkanin izolacyjnych przeznaczonych do zatrzymywania energii cieplnej jest to, w jaki sposób 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 zbudowanie 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 stosowanej 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 swoje 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 coraz częściej widzieć tę technologię stosowaną w tkaninach izolacyjnych.

Czy Superior Glove szykuje rękawice z mikrorurkami? Trzeba będzie poczekać i zobaczyć!

Zagadka szklanej butelki, butelki ze stali nierdzewnej i włosów niedźwiedzia polarnego

W końcu wróciliśmy do naszej pierwotnej zagadki - co łączy te wszystkie przedmioty, że są tak doskonałymi 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 sierścią niedźwiedzia polarnego?

Podobnie jak puchowe pióra, włosy niedźwiedzia polarnego są w rzeczywistości puste w środku. To puste miejsce zatrzymuje powietrze i izoluje niedźwiedzia polarnego od ekstremalnego zimna panującego w Arktyce. To musi być powód, dla którego zawsze wyglądają tak radośnie na mrozie!

Szukasz rękawiczek, które zapewnią Ci izolację dłoni tej zimy? Sprawdź naszą linię rękawic zimowych!
_____________________________________________________________________________________

Dziękujemy Paulowi Faucherowi z NOVO Engineering oraz 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 zakresie inżynierii mechanicznej i fizyki. Uzyskał tytuł BSME na Uniwersytecie Stanowym w San Diego i ma ponad 25 lat doświadczenia inżynierskiego.
novoengineering.com

Adam Bahret jest założycielem, właścicielem i głównym inżynierem w Apex Ridge, inżynierskiej firmie 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. Uzyskał tytuł magistra inżyniera mechanika na Uniwersytecie Northeastern i jest certyfikowanym inżynierem niezawodności ASQ, a także członkiem IEEE. www.
apexridge.com

O Tony Geng Prezes Superior Glove

Więcej o Tony'm Geng'u