Czy metal jest dobrą osłoną termiczną??

Jeśli jest używany w określony sposób, metal rzeczywiście może działać jak dobra osłona termiczna. W tym samym czasie, jeśli metal jest używany w inny sposób, może działać jako dobry radiator, co jest przeciwieństwem osłony termicznej.

Metal może działać zarówno jako dobra osłona termiczna, jak i dobry radiator, w zależności od tego, jak jest używany. Obraz domeny publicznej, źródło: Christopher S. Baird

Istnieją trzy sposoby transportu ciepła z jednego miejsca do drugiego: poprzez promieniowanie, poprzez przewodnictwo, i poprzez konwekcję. Promieniowanie cieplne składa się z fal elektromagnetycznych emitowanych przez obiekty pod wpływem ich temperatury. Promieniowanie cieplne niesie energię, a zatem transportuje ciepło. Ponieważ promieniowanie cieplne jest formą światła, strzela po liniach prostych, łatwo przemieszcza się po wolnej przestrzeni, i jest łatwo blokowany przez materiały. Ciepło, które odczuwasz, siedząc w pobliżu ogniska, wynika z promieniowania cieplnego wydzielanego przez ogień. Przewodnictwo to przenoszenie ciepła między dwoma ciałami w wyniku bezpośredniego kontaktu. Ciepło, które odczuwasz, gdy bierzesz kubek gorącego kakao, wynika z przewodzenia. Konwekcja to transport ciepła poprzez masowy ruch płynu. Ciepło, które odczuwasz, gdy umieścisz twarz nad kubkiem gorącego kakao, powstaje w wyniku konwekcji.

Kluczową właściwością wyróżniającą metal jest obecność dużej liczby elektronów, które mogą faktycznie swobodnie się poruszać. Dzięki tej właściwości metale są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego, dlatego w obwodach elektrycznych jest tak dużo metalu. Ta właściwość nadaje metalom również pewne interesujące właściwości termiczne. Ponieważ elektrony przewodzące w metalach mogą się swobodnie poruszać, potrafią szybko i łatwo reagować na falujące pola elektromagnetyczne występujące w promieniowaniu cieplnym. Ta silna reakcja prowadzi do silnego odbicia promieniowania cieplnego. Przypomina to nieco sytuację, w której zwinny i niezakłócony zapolowy baseballista jest w stanie szybko i skutecznie odbić piłki z powrotem do pola bramkowego. Z tego powodu, metale są doskonałą osłoną przed promieniowaniem cieplnym. Jeśli głównym sposobem transportu ciepła w danym systemie jest promieniowanie cieplne, wówczas metale są doskonałymi osłonami termicznymi. Należy pamiętać, że metal będzie odbijał większość promieniowania cieplnego tylko wtedy, gdy będzie wystarczająco gruby; o grubości rzędu milimetra lub więcej. Jeśli metal jest zbyt cienki, promieniowanie cieplne może przedostawać się przez metal w procesie zwanym tunelowaniem falowym.

Wolne elektrony w metalach sprawiają, że metale są również dobrymi przewodnikami ciepła. Elektrony mogą absorbować energię w jednym miejscu, a następnie swobodnie przemieszczać się w inne miejsce, niosąc ze sobą energię cieplną. W związku z tym, jeśli metal ma bezpośredni kontakt z gorącym przedmiotem, szybko odprowadzi ciepło od obiektu. Jeśli głównym sposobem transportu ciepła w konkretnym systemie jest przewodzenie, oraz jeśli metal styka się z gorącym przedmiotem, wtedy metal jest słabą osłoną termiczną.

Przyjrzeliśmy się już promieniowaniu cieplnemu i przewodzeniu ciepła. W obu przypadkach, wolne elektrony w metalach odgrywają ważną rolę. Dla ostatniego mechanizmu transportu ciepła, konwekcja, wolne elektrony nie odgrywają żadnej roli. Konwekcja wymaga płynnego materiału, który może się poruszać. Zazwyczaj, metale są solidne, nie płynny, i dlatego nie uczestniczą w konwekcji. Ponadto, nawet jeśli powietrze lub woda działają jak płyn umożliwiający konwekcję, duże, solidne kawałki metalu mogą blokować powietrze lub wodę i uniemożliwiać jej przemieszczanie się. Jeśli głównym sposobem transportu ciepła w danym systemie jest konwekcja cieplna, wtedy duży, solidny kawałek metalu może być doskonałą osłoną termiczną. Jeśli metal ma wiele otworów lub kanałów, które umożliwiają przepływ płynów, wtedy będzie to słaba osłona termiczna pod względem konwekcji.

W rzeczywistości, zazwyczaj obecne są wszystkie trzy mechanizmy transportu ciepła. Oznacza to, że metal może być dobrą osłoną termiczną, przeciętna osłona termiczna, lub zła osłona termiczna, w zależności od tego, jak go używamy.

Na podstawie powyższej dyskusji, możemy teraz określić, jak zrobić z metalu dobrą osłonę termiczną. Powinniśmy użyć dużej blachy, która nie ma żadnych otworów ani kanałów. Umieszczając tę ​​blachę wokół źródła ciepła, będzie odbijać promieniowanie cieplne wytwarzane przez źródło ciepła i blokować większość konwekcji cieplnej. W tym samym czasie, ponieważ metale są dobrymi przewodnikami ciepła, należy uważać, aby metal nie miał bezpośredniego kontaktu ze źródłem ciepła. Pomiędzy metalem a źródłem ciepła powinna znajdować się szczelina powietrzna. Ma to na celu zapobieganie transportowaniu ciepła przez metal ze źródła poprzez przewodzenie. Jeśli wszystkie te kroki zostaną podjęte, wtedy wszystkie trzy sposoby transportu ciepła zostaną zablokowane, a metal będzie działał jak doskonała osłona termiczna.

Na przykład, Weź pod uwagę, że właśnie ugotowałeś indyka i chcesz go ogrzać. Otaczając indyka osłoną termiczną, możesz zapobiec ucieczce ciepła i zapobiec wychłodzeniu indyka. Najlepszym sposobem na to jest zdobycie solidnego arkusza folii aluminiowej i owinięcie nim indyka, uważając, aby między indykiem a folią pozostała niewielka szczelina powietrza. Folia będzie odbijać promieniowanie cieplne z powrotem do indyka, zablokuje prądy konwekcji termicznej, a szczelina powietrzna zapewni, że metal nie będzie odprowadzał ciepła termicznie.

W przeciwieństwie, możemy również skonstruować metal jako słabą osłonę cieplną, lub innymi słowy dobry radiator. Po pierwsze, powinniśmy umieścić w metalu wiele otworów lub kanałów, aby umożliwić przepływ prądów konwekcyjnych. Kształtowanie metalu tak, aby miał wiele żeberek, kolce, dziury i kanały sprzyjają konwekcji, zwiększa także powierzchnię, przez którą metal może przekazywać ciepło do powietrza. Po drugie, powinniśmy umieścić metal w bezpośrednim kontakcie ze źródłem ciepła, abyśmy mogli wykorzystać wysoką przewodność cieplną metalu. W końcu, powinniśmy uczynić metal bardzo cienkim, aby promieniowanie cieplne mogło przedostać się przez nie. Jednakże, bardzo cienki metal jest zwykle zbyt słaby, aby utrzymać swój kształt, dlatego ten ostatni krok jest często pomijany. Kiedy te podejścia są stosowane, metal będzie działał jak bardzo dobry radiator i bardzo słaba osłona termiczna.

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