Ist Metall ein guter Hitzeschild??

Wenn es auf eine bestimmte Weise verwendet wird, Metall kann in der Tat ein guter Hitzeschild sein. Zur selben Zeit, wenn Metall anders verwendet wird, es kann als guter Kühlkörper fungieren, das ist das Gegenteil eines Hitzeschildes.

Metall kann sowohl als guter Hitzeschild als auch als guter Kühlkörper fungieren, je nachdem, wie es verwendet wird. Public Domain Image, Quelle: Christopher S.. Baird

Es gibt drei Möglichkeiten, wie Wärme von einem Ort zum anderen transportiert werden kann: durch Strahlung, durch Leitung, und durch Konvektion. Wärmestrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen, die von Objekten aufgrund ihrer Temperatur ausgesendet werden. Wärmestrahlung trägt Energie und transportiert daher Wärme. Denn Wärmestrahlung ist eine Form von Licht, es schießt in geraden Linien heraus, reist leicht durch den freien Raum, und wird leicht durch Materialien blockiert. Die Wärme, die Sie empfinden, wenn Sie in der Nähe eines Lagerfeuers sitzen, ist auf die vom Feuer abgegebene Wärmestrahlung zurückzuführen. Wärmeleitung ist der Wärmetransport zwischen zwei Objekten durch direkten Kontakt. Die Wärme, die Sie spüren, wenn Sie eine Tasse heißen Kakao nehmen, ist auf Wärmeleitung zurückzuführen. Konvektion ist der Transport von Wärme durch die Massenbewegung von Flüssigkeiten. Die Wärme, die Sie spüren, wenn Sie Ihr Gesicht über eine Tasse heißen Kakao legen, ist auf Konvektion zurückzuführen.

Die Schlüsseleigenschaft, die ein Metall auszeichnet, ist das Vorhandensein einer großen Anzahl von Elektronen, die sich effektiv frei bewegen können. Diese Eigenschaft macht Metalle zu guten elektrischen Leitern, Deshalb gibt es in elektrischen Schaltkreisen so viel Metall. Diese Eigenschaft verleiht Metallen auch einige interessante thermische Eigenschaften. Da sich die Leitungselektronen in Metallen frei bewegen können, Sie sind in der Lage, schnell und einfach auf die in der Wärmestrahlung vorhandenen elektromagnetischen Wellenfelder zu reagieren. Diese starke Reaktion führt zu einer starken Reflexion der Wärmestrahlung. Es ähnelt in gewisser Weise der Fähigkeit eines agilen und ungehinderten Baseball-Außenfeldspielers, Bälle schnell und effektiv zurück ins Innenfeld zu bringen. Aus diesem Grund, Metalle schirmen Wärmestrahlung hervorragend ab. Wenn die Wärme in einem bestimmten System hauptsächlich durch Wärmestrahlung transportiert wird, dann sind Metalle hervorragende Hitzeschilde. Beachten Sie, dass ein Metall den größten Teil der Wärmestrahlung nur dann reflektiert, wenn das Metall dick genug ist; in der Größenordnung von einem Millimeter Dicke oder mehr. Wenn das Metall zu dünn ist, Wärmestrahlung kann in einem als Wellentunneln bezeichneten Prozess durch das Metall dringen.

Die freien Elektronen in Metallen machen Metalle auch zu guten Wärmeleitern. Die Elektronen können an einer Stelle Energie aufnehmen und sich dann frei zu einer anderen Stelle bewegen, die Wärmeenergie mit sich führen. Deshalb, wenn ein Metall in direkten Kontakt mit einem heißen Gegenstand kommt, es wird die Wärme schnell vom Objekt abführen. Wenn die Wärme in einem bestimmten System hauptsächlich durch Leitung transportiert wird, und ob das Metall in Kontakt mit dem heißen Objekt ist, Dann ist Metall ein schlechter Hitzeschild.

Wir haben uns bereits mit Wärmestrahlung und Wärmeleitung beschäftigt. In beiden Fällen, die freien Elektronen in Metallen spielen eine wichtige Rolle. Für den letzten Wärmetransportmechanismus, Konvektion, die freien Elektronen spielen keine Rolle. Konvektion erfordert ein flüssiges Material, das sich bewegen kann. typisch, Metalle sind fest, nicht flüssig, und nehmen daher nicht an der Konvektion teil. Außerdem, auch wenn Luft oder Wasser als Fluid wirken, das Konvektion ermöglicht, Große massive Metallteile können die Luft oder das Wasser blockieren und es daran hindern, sich zu bewegen. Wenn die Wärme in einem bestimmten System hauptsächlich durch thermische Konvektion transportiert wird, dann kann ein großes massives Stück Metall ein ausgezeichneter Hitzeschild sein. Wenn das Metall viele Löcher oder Kanäle hat, die Flüssigkeiten passieren lassen, dann ist es ein schlechter Hitzeschild in Bezug auf Konvektion.

In Wirklichkeit, alle drei Wärmetransportmechanismen sind typischerweise vorhanden. Das bedeutet, dass Metall entweder ein guter Hitzeschild sein kann, ein mittelmäßiges Hitzeschild, oder ein schlechtes Hitzeschild, je nachdem, wie wir es verwenden.

Basierend auf der obigen Diskussion, Wir können jetzt bestimmen, wie man Metall zu einem guten Hitzeschild macht. Wir sollten ein großes Blech verwenden, das keine Löcher oder Kanäle hat. Indem Sie dieses Blech um die Wärmequelle legen, Es reflektiert die von der Wärmequelle erzeugte Wärmestrahlung zurück und blockiert einen Großteil der Wärmekonvektion. Zur selben Zeit, da Metalle gute Wärmeleiter sind, wir sollten darauf achten, dass das Metall nicht in direkten Kontakt mit der Wärmequelle kommt. Zwischen dem Metall und der Wärmequelle sollte ein Luftspalt vorhanden sein. Dadurch soll verhindert werden, dass das Metall Wärme durch Wärmeleitung von der Quelle weg transportiert. Wenn alle diese Schritte unternommen werden, dann werden alle drei Arten des Wärmetransports blockiert und das Metall wirkt als hervorragender Hitzeschild.

Beispielsweise, Denken Sie daran, dass Sie gerade einen Truthahn gekocht haben und ihn warm halten möchten. Indem man den Truthahn mit einem Hitzeschild umgibt, Sie können verhindern, dass die Hitze entweicht, und verhindern, dass der Truthahn kalt wird. Der beste Weg, dies zu tun, ist, ein festes Blatt Aluminiumfolie zu nehmen und es um den Truthahn zu wickeln, Achten Sie darauf, dass zwischen dem Truthahn und der Folie ein kleiner Luftspalt bleibt. Die Folie reflektiert die Wärmestrahlung zurück in den Truthahn, blockiert thermische Konvektionsströme, und der Luftspalt stellt sicher, dass das Metall Wärme nicht thermisch ableitet.

Im Gegensatz, Wir können Metall auch so konstruieren, dass es ein schlechter Hitzeschild ist, oder mit anderen Worten ein guter Kühlkörper. Zuerst, Wir sollten viele Löcher oder Kanäle in das Metall bohren, um Konvektionsströme durchzulassen. Das Metall so formen, dass es viele Rippen hat, Spikes, Löcher und Kanäle fördern die Konvektion, und es vergrößert auch die Oberfläche, durch die das Metall Wärme an die Luft übertragen kann. Zweitens, Wir sollten das Metall in direkten Kontakt mit der Wärmequelle bringen, damit wir die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metall nutzen können. zuletzt, Wir sollten das Metall sehr dünn machen, damit Wärmestrahlung durchdringen kann. jedoch, Sehr dünnes Metall ist normalerweise zu schwach, um seine Form zu halten, Daher wird dieser letzte Schritt oft übersprungen. Wenn diese Ansätze angewendet werden, Metall wirkt wie ein sehr guter Kühlkörper und ein sehr schlechter Hitzeschild.

Kredit:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2016/03/08/is-metal-a-good-heat-shield/