Aislamiento térmico
El aislamiento térmico es el proceso de reducción de la transferencia de calor entre objetos en contacto térmico o en el rango de influencia radiativa. Los aislamientos térmicos consisten en materiales de baja conductividad térmica combinados para lograr una conductividad térmica del sistema aún más baja . El aislamiento térmico se puede lograr con métodos o procesos especialmente diseñados, así como con formas y materiales de objetos adecuados.
Ver también: conductividad térmica
Desde el punto de vista microscópico, el transporte de energía térmica en sólidos puede deberse generalmente a dos efectos:
- la migración de electrones libres
- ondas vibratorias reticulares ( fonones )
Cuando los electrones y los fonones transportan energía térmica que conduce a la transferencia de calor por conducción en un sólido, la conductividad térmica puede expresarse como:
k = k e + k ph
Los metales en general tienen alta conductividad eléctrica y alta conductividad térmica . Estas propiedades se originan especialmente en el hecho de que sus electrones externos (electrones libres) están deslocalizados . Su contribución a la conductividad térmica es muy alta y se conoce como conductividad térmica electrónica, k e . Como resultado, los metales son muy buenos conductores térmicos en lugar de aislantes térmicos.
Para los sólidos no metálicos , k está determinado principalmente por k ph , que aumenta a medida que disminuye la frecuencia de las interacciones entre los átomos y la red. De hecho, la conducción térmica en celosía es el mecanismo de conducción térmica dominante en los no metales, si no el único. En los sólidos, los átomos vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio (red cristalina). Las vibraciones de los átomos no son independientes entre sí, sino que están fuertemente acopladas con los átomos vecinos. La regularidad de la disposición reticular tiene un efecto importante en k ph , ya que los materiales cristalinos (bien ordenados) como el cuarzo tienen una conductividad térmica más alta que los materiales amorfos como el vidrio.
Debe agregarse, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con líquidos y sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma ). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección . Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala.. La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.
Cabe señalar que las pérdidas de calor de los objetos más calientes se producen por tres mecanismos (individualmente o en combinación):
Hasta ahora no hemos discutido la radiación térmica como un modo de pérdidas de calor . La transferencia de calor por radiación está mediada por radiación electromagnética y, por lo tanto, no requiere ningún medio para la transferencia de calor. De hecho, la transferencia de energía por radiación es más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vacío. Cualquier material que tenga una temperatura superior al cero absoluto emite algo de energía radiante . La mayor parte de la energía de este tipo está en la región infrarroja del espectro electromagnético, aunque parte de ella está en la región visible. Para disminuir este tipo de transferencia de calor, se deben utilizar materiales con baja emisividad. losLa emisividad , ε , de la superficie de un material es su efectividad en la emisión de energía como radiación térmica y varía entre 0.0 y 1.0. En general, los metales pulidos tienen una emisividad muy baja y, por lo tanto, se utilizan ampliamente para reflejar la energía radiante de regreso a su fuente, como en el caso de las mantas de primeros auxilios .
Aislante térmico
Como se escribió, el aislamiento térmico se basa en el uso de sustancias con muy baja conductividad térmica . Estos materiales se conocen como aislantes térmicos . Los aislantes térmicos comunes son lana, fibra de vidrio, lana de roca, poliestireno, poliuretano, plumas de ganso, etc. Estos materiales son muy malos conductores de calor y, por lo tanto, buenos aislantes térmicos.
Debe agregarse, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases. Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con los líquidos y los sólidos, por lo que son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma ). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección . Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . En todos los tipos de aislamiento térmico, la evacuación del aire en el espacio vacío reducirá aún más la conductividad térmica general del aislante.
La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.
En caso de aislamiento por radiación térmica , se pueden utilizar aislamientos reflectantes. Los aislamientos reflectantes generalmente están compuestos de láminas paralelas multicapa de alta reflectividad, que están espaciadas para reflejar la radiación térmica de regreso a su fuente.
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