Is metaal een goed hitteschild??

Indien gebruikt op een bepaalde manier, metaal kan inderdaad als een goed hitteschild fungeren. Tegelijkertijd, als metaal op een andere manier wordt gebruikt, het kan fungeren als een goed koellichaam, wat het tegenovergestelde is van een hitteschild.

Metaal kan zowel als een goed hitteschild als als een goed koellichaam fungeren, afhankelijk van hoe het wordt gebruikt. Public Domain Afbeelding, bron: Christopher S. Baird

Er zijn drie manieren waarop warmte van de ene plaats naar de andere kan worden getransporteerd: door middel van straling, door geleiding, en door convectie. Thermische straling bestaat uit elektromagnetische golven die door objecten worden uitgezonden vanwege hun temperatuur. Thermische straling transporteert energie en transporteert dus warmte. Omdat thermische straling een vorm van licht is, het schiet in rechte lijnen naar buiten, reist gemakkelijk door de vrije ruimte, en wordt gemakkelijk geblokkeerd door materialen. De warmte die je voelt als je bij een kampvuur zit, is te danken aan de warmtestraling die het vuur afgeeft. Geleiding is het transport van warmte tussen twee voorwerpen door direct contact. De warmte die je voelt als je een mok warme chocolademelk pakt, is te danken aan geleiding. Convectie is het transport van warmte door de bulkbeweging van vloeistof. De warmte die je voelt als je je gezicht boven een mok warme chocolademelk houdt, is te danken aan convectie.

De belangrijkste eigenschap die een metaal onderscheidt, is de aanwezigheid van een groot aantal elektronen die zich effectief vrij kunnen bewegen. Deze eigenschap zorgt ervoor dat metalen goede elektrische geleiders zijn, Daarom zit er zoveel metaal in elektrische circuits. Deze eigenschap geeft metalen ook enkele interessante thermische eigenschappen. Omdat de geleidingselektronen in metalen vrij kunnen bewegen, ze kunnen snel en eenvoudig reageren op de golvende elektromagnetische velden die aanwezig zijn in thermische straling. Deze sterke respons leidt tot een sterke reflectie van de thermische straling. Het lijkt enigszins op hoe een behendige en ongehinderde honkbal-outfielder in staat is om ballen snel en effectief terug te brengen naar het infield.. Om deze reden, metalen zijn uitstekende schilden tegen thermische straling. Als de belangrijkste manier waarop warmte in een bepaald systeem wordt getransporteerd, is via thermische straling, Dan zijn metalen uitstekende hitteschilden. Houd er rekening mee dat een metaal het grootste deel van de thermische straling alleen zal reflecteren als het metaal dik genoeg is; in de orde van een millimeter dik of meer. Als het metaal te dun is, thermische straling kan door het metaal lekken in een proces dat golftunneling wordt genoemd.

De vrije elektronen in metalen maken metalen ook tot goede thermische geleiders. De elektronen kunnen op de ene plek energie opnemen en zich vervolgens vrij naar een andere plek verplaatsen, die de thermische energie met zich meedragen. daarom, als een metaal in direct contact komt met een heet voorwerp, het zal de warmte snel van het object afvoeren. Als de belangrijkste manier waarop warmte in een bepaald systeem wordt getransporteerd, via geleiding is, en of het metaal in contact is met het hete voorwerp, dan is metaal een slecht hitteschild.

We hebben al gekeken naar thermische straling en thermische geleiding. In beide gevallen, de vrije elektronen in metalen spelen een belangrijke rol. Voor het laatste warmtetransportmechanisme, convectie, de vrije elektronen spelen geen rol. Convectie vereist een vloeibaar materiaal dat kan bewegen. Typisch, metalen zijn massief, niet vloeibaar, en nemen daarom niet deel aan convectie. voorts, zelfs als lucht of water als een vloeistof fungeert die convectie mogelijk maakt, grote massieve stukken metaal kunnen de lucht of het water blokkeren en ervoor zorgen dat deze niet kunnen bewegen. Als de belangrijkste manier waarop warmte in een bepaald systeem wordt getransporteerd, is via thermische convectie, dan kan een groot massief stuk metaal een uitstekend hitteschild zijn. Als het metaal veel gaten of kanalen heeft waardoor vloeistoffen kunnen passeren, dan is het qua convectie een slecht hitteschild.

In werkelijkheid, alle drie de warmtetransportmechanismen zijn doorgaans aanwezig. Dit betekent dat metaal een goed hitteschild kan zijn, een matig hitteschild, of een slecht hitteschild, afhankelijk van hoe we het gebruiken.

Gebaseerd op de discussie hierboven, we kunnen nu bepalen hoe we van metaal een goed hitteschild kunnen maken. We moeten een grote plaat metaal gebruiken die geen gaten of kanalen heeft. Door dit metalen plaatje rond de warmtebron te plaatsen, het zal de thermische straling van de warmtebron terugkaatsen en een groot deel van de thermische convectie blokkeren. Tegelijkertijd, omdat metalen goede thermische geleiders zijn, we moeten oppassen dat het metaal niet in direct contact komt met de warmtebron. Er moet een luchtspleet zijn tussen het metaal en de warmtebron. Dit is om te voorkomen dat het metaal via geleiding warmte van de bron wegtransporteert. Als al deze stappen zijn ondernomen, dan worden alle drie de vormen van warmtetransport geblokkeerd en zal het metaal fungeren als een uitstekend hitteschild.

Bijvoorbeeld, bedenk dat je zojuist een kalkoen hebt gekookt en dat je hem warm wilt houden. Door de kalkoen te omringen met een hitteschild, Zo voorkom je dat de warmte ontsnapt en voorkom je dat de kalkoen koud wordt. De beste manier om dit te doen is door een stevig vel aluminiumfolie te pakken en dit om de kalkoen te wikkelen, zorg ervoor dat er een kleine luchtspleet zit tussen de kalkoen en de folie. De folie reflecteert de warmtestraling terug in de kalkoen, zal thermische convectiestromen blokkeren, en de luchtspleet zorgt ervoor dat het metaal de warmte niet thermisch wegleidt.

In tegenstelling tot, we kunnen metaal ook construeren als een slecht hitteschild, of met andere woorden een goed koellichaam. Allereerst, we moeten veel gaten of kanalen in het metaal aanbrengen om convectiestromen door te laten. Het metaal vormgeven zodat het veel vinnen heeft, stekels, gaten en kanalen bevorderen convectie, en het vergroot ook het oppervlak waardoor het metaal warmte aan de lucht kan overdragen. ten tweede, we moeten het metaal in direct contact met de warmtebron plaatsen, zodat we kunnen profiteren van de hoge thermische geleidbaarheid van metaal. als laatste, we moeten het metaal heel dun maken zodat thermische straling er doorheen kan lekken. Echter, zeer dun metaal is doorgaans te zwak om zijn vorm te behouden, deze laatste stap wordt dus vaak overgeslagen. Wanneer deze benaderingen worden toegepast, metaal zal fungeren als een zeer goed koellichaam en een zeer slecht hitteschild.

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