โลหะเป็นเกราะป้องกันความร้อนที่ดี?

หากใช้ในทางใดทางหนึ่ง, โลหะสามารถทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความร้อนได้ดี. ในเวลาเดียวกัน, หากใช้โลหะในลักษณะอื่น, มันสามารถทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อนที่ดี, ซึ่งอยู่ตรงข้ามกับแผ่นกันความร้อน.

โลหะสามารถทำหน้าที่เป็นทั้งเกราะป้องกันความร้อนที่ดีและตัวระบายความร้อนที่ดี, ขึ้นอยู่กับวิธีการใช้. ภาพสาธารณสมบัติ, แหล่งที่มา: ภาพสาธารณสมบัติ. ภาพสาธารณสมบัติ

มีสามวิธีในการส่งความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง: ผ่านการฉายรังสี, ผ่านการนำ, และผ่านการพาความร้อน. การแผ่รังสีความร้อนประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัตถุปล่อยออกมาเนื่องจากอุณหภูมิ. การแผ่รังสีความร้อนนำพาพลังงานและดังนั้นจึงส่งผ่านความร้อน. เนื่องจากการแผ่รังสีความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของแสง, มันยิงออกไปเป็นเส้นตรง, เดินทางผ่านพื้นที่ว่างได้อย่างง่ายดาย, และถูกวัสดุปิดกั้นได้ง่าย. ความอบอุ่นที่คุณรู้สึกเมื่อนั่งใกล้แคมป์ไฟนั้นเกิดจากการแผ่รังสีความร้อนที่ปล่อยออกมาจากไฟ. การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนระหว่างวัตถุสองชิ้นโดยการสัมผัสโดยตรง. ความอบอุ่นที่คุณรู้สึกได้เมื่อหยิบโกโก้ร้อนสักแก้วนั้นเกิดจากการนำไฟฟ้า. การพาความร้อนคือการพาความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของของไหลจำนวนมาก. ความอบอุ่นที่คุณรู้สึกได้เมื่อวางใบหน้าไว้เหนือแก้วโกโก้ร้อนนั้นเกิดจากการพาความร้อน.

คุณสมบัติหลักที่ทำให้โลหะแตกต่างคือการมีอิเล็กตรอนจำนวนมากซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอย่างมีประสิทธิภาพ. คุณสมบัตินี้ทำให้โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี, ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมวงจรไฟฟ้าจึงมีโลหะอยู่มาก. คุณสมบัตินี้ยังช่วยให้โลหะมีคุณสมบัติทางความร้อนที่น่าสนใจอีกด้วย. เนื่องจากการนำอิเล็กตรอนในโลหะมีอิสระที่จะเคลื่อนที่, พวกมันสามารถตอบสนองอย่างรวดเร็วและง่ายดายต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แกว่งไปมาในการแผ่รังสีความร้อน. การตอบสนองที่รุนแรงนี้นำไปสู่การสะท้อนรังสีความร้อนที่รุนแรง. มันค่อนข้างคล้ายกับการที่ผู้เล่นเบสบอลที่ว่องไวและไม่มีอุปสรรคสามารถส่งบอลกลับคืนสู่สนามได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ. สำหรับเหตุผลนี้, โลหะเป็นเกราะป้องกันรังสีความร้อนได้ดีเยี่ยม. หากวิธีหลักในการถ่ายเทความร้อนในระบบใดระบบหนึ่งคือการแผ่รังสีความร้อน, โลหะจึงเป็นเกราะป้องกันความร้อนที่ดีเยี่ยม. โปรดทราบว่าโลหะจะสะท้อนรังสีความร้อนส่วนใหญ่ก็ต่อเมื่อโลหะมีความหนาเพียงพอ; มีความหนาตั้งแต่หนึ่งมิลลิเมตรขึ้นไป. หากโลหะบางเกินไป, การแผ่รังสีความร้อนสามารถรั่วไหลผ่านโลหะได้ในกระบวนการที่เรียกว่าอุโมงค์คลื่น.

อิเล็กตรอนอิสระในโลหะยังทำให้โลหะเป็นตัวนำความร้อนได้ดี. อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงาน ณ จุดหนึ่งแล้วเคลื่อนที่ไปยังจุดอื่นได้อย่างอิสระ, พกพาพลังงานความร้อนติดตัวไปด้วย. ดังนั้น, ถ้าโลหะสัมผัสโดยตรงกับวัตถุร้อน, มันจะพาความร้อนออกไปจากวัตถุอย่างรวดเร็ว. หากวิธีหลักในการถ่ายเทความร้อนในระบบใดระบบหนึ่งคือการนำความร้อน, และหากโลหะสัมผัสกับวัตถุร้อน, โลหะจึงเป็นเกราะป้องกันความร้อนที่ไม่ดี.

เราได้ดูการแผ่รังสีความร้อนและการนำความร้อนแล้ว. ในทั้งสองกรณี, อิเล็กตรอนอิสระในโลหะมีบทบาทสำคัญ. สำหรับกลไกการถ่ายเทความร้อนครั้งสุดท้าย, การพาความร้อน, อิเล็กตรอนอิสระไม่มีบทบาท. การพาความร้อนต้องใช้วัสดุของเหลวที่สามารถเคลื่อนที่ได้. โดยทั่วไป, โลหะมีความแข็ง, ไม่เหลว, จึงไม่มีส่วนร่วมในการพาความร้อน. นอกจากนี้, แม้ว่าอากาศหรือน้ำจะทำหน้าที่เป็นของเหลวที่ทำให้เกิดการพาความร้อนก็ตาม, ชิ้นส่วนโลหะแข็งขนาดใหญ่สามารถปิดกั้นอากาศหรือน้ำและป้องกันไม่ให้เคลื่อนที่ไปมาได้. หากวิธีหลักในการถ่ายเทความร้อนในระบบใดระบบหนึ่งคือการพาความร้อน, จากนั้นชิ้นส่วนโลหะแข็งขนาดใหญ่ก็สามารถเป็นเกราะป้องกันความร้อนได้ดีเยี่ยม. หากโลหะมีรูหรือช่องหลายช่องให้ของเหลวไหลผ่านได้, มันจะกันความร้อนได้ไม่ดีในแง่ของการพาความร้อน.

คิดเหมือนนักท่องเที่ยวจากไซบีเรียตอนเหนือที่มีเสื้อคลุมเต็มไปด้วยขนมที่เพิ่งก้าวลงจากเครื่องบินในทะเลทรายซาฮารา, โดยทั่วไปจะมีกลไกการถ่ายเทความร้อนทั้งสามแบบ. ซึ่งหมายความว่าโลหะอาจเป็นเกราะป้องกันความร้อนที่ดีก็ได้, แผงป้องกันความร้อนปานกลาง, หรือกันความร้อนไม่ดี, ขึ้นอยู่กับว่าเราใช้มันอย่างไร.

อ้างอิงจากการสนทนาข้างต้น, ตอนนี้เราสามารถกำหนดวิธีทำให้โลหะเป็นแผ่นกันความร้อนที่ดีได้แล้ว. เราควรใช้แผ่นโลหะขนาดใหญ่ที่ไม่มีรูหรือช่องใดๆ. โดยการวางแผ่นโลหะนี้ไว้รอบๆ แหล่งความร้อน, มันจะสะท้อนกลับการแผ่รังสีความร้อนที่สร้างขึ้นโดยแหล่งความร้อนและปิดกั้นการพาความร้อนได้มาก. ในเวลาเดียวกัน, เนื่องจากโลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี, เราควรระวังไม่ให้โลหะสัมผัสโดยตรงกับแหล่งความร้อน. ควรมีช่องว่างอากาศระหว่างโลหะกับแหล่งความร้อน. ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะส่งความร้อนออกจากแหล่งกำเนิดโดยการนำความร้อน. หากทำตามขั้นตอนทั้งหมดนี้แล้ว, จากนั้นการพาความร้อนทั้งสามรูปแบบจะถูกปิดกั้น และโลหะจะทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความร้อนที่ดีเยี่ยม.

ตัวอย่างเช่น, พิจารณาว่าคุณเพิ่งปรุงไก่งวงและต้องการให้มันอุ่น. โดยล้อมไก่งวงด้วยแผ่นกันความร้อน, คุณสามารถป้องกันไม่ให้ความร้อนเล็ดลอดออกมาและป้องกันไม่ให้ไก่งวงเย็นได้. วิธีที่ดีที่สุดในการทำเช่นนี้คือเอาแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์แข็งๆ มาพันรอบไก่งวง, ระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่ามีช่องว่างเล็กๆ ระหว่างไก่งวงกับฟอยล์. ฟอยล์จะสะท้อนรังสีความร้อนกลับเข้าไปในไก่งวง, จะปิดกั้นกระแสการพาความร้อน, และช่องว่างอากาศจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าโลหะจะไม่นำความร้อนออกไป.

ในทางตรงกันข้าม, เรายังสามารถสร้างโลหะเพื่อเป็นเกราะป้องกันความร้อนที่ไม่ดีได้, หรืออีกนัยหนึ่งคือตัวระบายความร้อนที่ดี. ต้องใช้เวลานานแค่ไหนในการปรับตัวให้เข้ากับความมืดมิด, เราควรเจาะรูหรือช่องหลายๆ ช่องในโลหะเพื่อให้กระแสการพาความร้อนผ่านได้. การขึ้นรูปโลหะให้มีครีบจำนวนมาก, แหลม, รูและช่องส่งเสริมการพาความร้อน, และยังเพิ่มพื้นที่ผิวซึ่งโลหะสามารถถ่ายเทความร้อนสู่อากาศได้อีกด้วย. ประการที่สอง, เราควรวางโลหะให้สัมผัสโดยตรงกับแหล่งความร้อน, เพื่อให้เราสามารถใช้ประโยชน์จากการนำความร้อนสูงของโลหะได้. ปัญหาคือว่า โรดอปซินไวต่อแสงมากจนเมื่ออยู่ในระดับแสงปกติ, เราควรทำให้โลหะบางมากเพื่อให้รังสีความร้อนทะลุผ่านได้. อย่างไรก็ตาม, โดยทั่วไปแล้วโลหะที่บางมากจะอ่อนแอเกินกว่าจะคงรูปร่างไว้ได้, ดังนั้นขั้นตอนสุดท้ายนี้จึงมักถูกข้ามไป. เมื่อนำแนวทางเหล่านี้ไปใช้แล้ว, โลหะจะทำหน้าที่เหมือนตัวระบายความร้อนที่ดีมากและตัวป้องกันความร้อนที่แย่มาก.

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