Le métal est-il un bon bouclier thermique?

Si utilisé d'une certaine manière, le métal peut en effet faire office de bon bouclier thermique. En même temps, si le métal est utilisé d'une manière différente, il peut agir comme un bon dissipateur thermique, qui est l'opposé d'un bouclier thermique.

Le métal peut agir à la fois comme un bon bouclier thermique et un bon dissipateur thermique, selon la façon dont il est utilisé. Image Domaine public, la source: Christopher S. Baird

Il existe trois façons de transporter la chaleur d’un endroit à un autre: par rayonnement, par conduction, et par convection. Le rayonnement thermique est constitué d'ondes électromagnétiques émises par les objets en raison de leur température.. Le rayonnement thermique transporte de l'énergie et donc de la chaleur. Puisque le rayonnement thermique est une forme de lumière, ça jaillit en lignes droites, se déplace facilement dans l'espace libre, et est facilement bloqué par des matériaux. La chaleur que vous ressentez lorsque vous êtes assis près d'un feu de camp est due au rayonnement thermique dégagé par le feu.. La conduction est le transport de chaleur entre deux objets par contact direct. La chaleur que vous ressentez lorsque vous prenez une tasse de chocolat chaud est due à la conduction.. La convection est le transport de chaleur par le mouvement massif d'un fluide. La chaleur que vous ressentez lorsque vous placez votre visage au-dessus d’une tasse de chocolat chaud est due à la convection..

La propriété clé qui distingue un métal est la présence d’un grand nombre d’électrons effectivement libres de se déplacer.. Cette propriété fait des métaux de bons conducteurs électriques, c'est pourquoi il y a tant de métal dans les circuits électriques. Cette propriété confère également aux métaux des propriétés thermiques intéressantes. Puisque les électrons de conduction dans les métaux sont libres de se déplacer, ils sont capables de réagir rapidement et facilement aux champs électromagnétiques ondulatoires présents dans le rayonnement thermique. Cette forte réponse entraîne une forte réflexion du rayonnement thermique. C'est un peu similaire à la façon dont un voltigeur de baseball agile et sans entrave est capable de renvoyer rapidement et efficacement les balles vers le champ intérieur.. Pour cette raison, les métaux sont d'excellents boucliers contre le rayonnement thermique. Si le principal moyen de transport de la chaleur dans un système particulier est le rayonnement thermique., alors les métaux sont d'excellents boucliers thermiques. Notez qu'un métal ne reflétera la majeure partie du rayonnement thermique que s'il est suffisamment épais.; de l'ordre d'un millimètre d'épaisseur ou plus. Si le métal est trop fin, le rayonnement thermique peut s'infiltrer à travers le métal selon un processus appelé effet tunnel d'ondes..

Les électrons libres dans les métaux font également des métaux de bons conducteurs thermiques.. Les électrons peuvent absorber de l’énergie à un endroit puis se déplacer librement vers un autre endroit., emportant avec eux l’énergie thermique. Donc, si un métal est en contact direct avec un objet chaud, il évacuera rapidement la chaleur de l'objet. Si la chaleur est principalement transportée dans un système particulier par conduction, et si le métal est en contact avec l'objet chaud, alors le métal est un mauvais bouclier thermique.

Nous avons déjà examiné le rayonnement thermique et la conduction thermique. Dans les deux cas, les électrons libres dans les métaux jouent un rôle important. Pour le dernier mécanisme de transport de chaleur, convection, les électrons libres ne jouent aucun rôle. La convection nécessite un matériau fluide qui peut se déplacer. Typiquement, les métaux sont solides, pas fluide, et ne participent donc pas à la convection. en outre, même si l'air ou l'eau agit comme un fluide permettant la convection, de gros morceaux de métal solides peuvent bloquer l'air ou l'eau et l'empêcher de se déplacer. Si la chaleur est principalement transportée dans un système particulier par convection thermique., alors un gros morceau de métal solide peut être un excellent bouclier thermique. Si le métal comporte de nombreux trous ou canaux qui permettent aux fluides de passer à travers, alors ce sera un mauvais bouclier thermique en termes de convection.

En réalité, les trois mécanismes de transport de chaleur sont généralement présents. Cela signifie que le métal peut être soit un bon bouclier thermique, un bouclier thermique médiocre, ou un mauvais bouclier thermique, selon la façon dont nous l'utilisons.

Basé sur la discussion ci-dessus, nous pouvons maintenant déterminer comment transformer le métal en un bon bouclier thermique. Nous devons utiliser une grande feuille de métal sans trous ni canaux.. En plaçant cette feuille de métal autour de la source de chaleur, il réfléchira le rayonnement thermique créé par la source de chaleur et bloquera une grande partie de la convection thermique. En même temps, puisque les métaux sont de bons conducteurs thermiques, nous devons faire attention à ce que le métal n'entre pas en contact direct avec la source de chaleur. Il devrait y avoir un espace d'air entre le métal et la source de chaleur. Cela empêche le métal de transporter la chaleur de la source par conduction.. Si toutes ces mesures sont prises, alors les trois modes de transport de chaleur seront bloqués et le métal agira comme un excellent bouclier thermique.

Par exemple, considérez que vous venez de cuire une dinde et que vous souhaitez la garder au chaud. En entourant la dinde d'un bouclier thermique, vous pouvez empêcher la chaleur de s'échapper et empêcher la dinde de refroidir. La meilleure façon de procéder est d’obtenir une feuille de papier d’aluminium solide et de l’enrouler autour de la dinde., en veillant à ce qu'il y ait un petit espace d'air entre la dinde et le papier d'aluminium. Le papier d'aluminium reflétera le rayonnement thermique vers la dinde., bloquera les courants de convection thermique, et l'entrefer garantira que le métal ne conduit pas thermiquement la chaleur..

En revanche, nous pouvons également construire du métal pour constituer un mauvais bouclier thermique, ou en d'autres termes un bon dissipateur thermique. Tout d'abord, nous devrions faire de nombreux trous ou canaux dans le métal pour permettre aux courants de convection de passer à travers. Façonner le métal pour avoir de nombreuses ailettes, pointes, les trous et les canaux favorisent la convection, et cela augmente également la surface à travers laquelle le métal peut transférer de la chaleur à l'air. Deuxièmement, il faut placer le métal en contact direct avec la source de chaleur, afin que nous puissions profiter de la conductivité thermique élevée du métal. enfin, nous devrions rendre le métal très fin pour que le rayonnement thermique puisse s'échapper. toutefois, le métal très fin est généralement trop faible pour conserver sa forme, donc cette dernière étape est souvent ignorée. Quand ces approches sont appliquées, le métal agira comme un très bon dissipateur thermique et un très mauvais bouclier thermique.

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