العزل الحراري

بالنسبة للأسطوانات المعزولة، يجب الوصول إلى نصف قطر حرج للغطاء العازل . قبل الوصول إلى هذا النصف القطر، يؤدي أي عزل إضافي إلى زيادة انتقال الحرارة. ^{[ 4 ]} تتناسب المقاومة الحرارية بالحمل عكسيًا مع مساحة السطح، وبالتالي مع نصف قطر الأسطوانة، بينما تعتمد المقاومة الحرارية للغلاف الأسطواني (طبقة العزل) على النسبة بين نصف القطر الخارجي والداخلي، وليس على نصف القطر نفسه. إذا زاد نصف القطر الخارجي للأسطوانة بتطبيق العزل، تُضاف قيمة ثابتة من المقاومة التوصيلية (تساوي 2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)). ومع ذلك، في الوقت نفسه، تنخفض المقاومة بالحمل. هذا يعني أن إضافة العزل دون نصف قطر حرج معين يزيد في الواقع من انتقال الحرارة. بالنسبة للأسطوانات المعزولة، يُعطى نصف القطر الحرج بالمعادلة ^{[ 5 ].}

${\displaystyle {r_{\text{critical}}}={k \over h}}$

تُبيّن هذه المعادلة أن نصف القطر الحرج يعتمد فقط على معامل انتقال الحرارة والتوصيل الحراري للعازل. إذا كان نصف قطر الأسطوانة المعزولة أصغر من نصف القطر الحرج للعزل، فإن إضافة أي كمية من العازل ستزيد من انتقال الحرارة.

تتميز الغازات بضعف توصيلها الحراري مقارنةً بالسوائل والمواد الصلبة، ولذا تُعدّ مواد عازلة جيدة إذا أمكن حصرها. ولزيادة فعالية الغاز (كالهواء مثلاً)، يمكن تقسيمه إلى خلايا صغيرة لا تستطيع نقل الحرارة بكفاءة عن طريق الحمل الحراري الطبيعي . يعتمد الحمل الحراري على تدفق كمية أكبر من الغاز بفعل الطفو وفروق درجات الحرارة، وهو غير فعال في الخلايا الصغيرة حيث يكون فرق الكثافة ضئيلاً، كما أن ارتفاع نسبة مساحة السطح إلى الحجم في هذه الخلايا يُعيق تدفق الغاز فيها بفعل الاحتكاك اللزج .

لتحقيق تكوين خلايا غازية صغيرة في العزل الحراري المصنّع، يمكن استخدام الزجاج والمواد البوليمرية لحبس الهواء في بنية شبيهة بالرغوة. يُستخدم هذا المبدأ صناعيًا في عزل المباني والأنابيب، مثل الصوف الزجاجي ، والسليلوز ، والصوف الصخري ، ورغوة البوليسترين (الستايروفوم)، ورغوة اليوريثان ، والفيرميكوليت ، والبيرلايت ، والفلين . كما يُعدّ حبس الهواء مبدأً أساسيًا في جميع مواد الملابس عالية العزل، مثل الصوف، والريش، والفليس.

تُعدّ خاصية حبس الهواء أيضاً مبدأ العزل الذي تستخدمه الحيوانات ذوات الدم الحار للحفاظ على دفئها، مثل الريش الناعم والشعر العازل كصوف الأغنام الطبيعي . في كلتا الحالتين، المادة العازلة الأساسية هي الهواء، والبوليمر المستخدم لحبس الهواء هو بروتين الكيراتين الطبيعي.

يستهلك الحفاظ على درجات حرارة مناسبة في المباني (عن طريق التدفئة والتبريد) نسبة كبيرة من استهلاك الطاقة العالمي . كما تعتمد مواد عزل المباني عادةً على مبدأ الخلايا الهوائية الصغيرة المحصورة، كما ذُكر سابقًا، مثل الألياف الزجاجية (وخاصة الصوف الزجاجي )، والسليلوز ، والصوف الصخري ، ورغوة البوليسترين ، ورغوة اليوريثان ، والفيرميكوليت ، والبيرلايت ، والفلين ، وغيرها. وقد استُخدم الأسبستوس لفترة من الزمن ، إلا أنه تسبب في مشاكل صحية.

يمكن استخدام أغشية عزل النوافذ في تطبيقات تحسين كفاءة الطاقة لتقليل الإشعاع الحراري الوارد في الصيف وفقدانه في الشتاء.

عندما يكون المبنى معزولاً بشكل جيد، فإنه يكون:

• موفرة للطاقة وأقل تكلفة للتدفئة في الشتاء أو التبريد في الصيف. ستؤدي كفاءة الطاقة إلى تقليل البصمة الكربونية .
• أكثر راحةً بفضل تجانس درجات الحرارة في جميع أنحاء المكان. يقلّ التدرج الحراري عموديًا (بين مستوى الكاحل ومستوى الرأس) وأفقيًا من الجدران الخارجية والأسقف والنوافذ إلى الجدران الداخلية، مما يوفر بيئة أكثر راحةً للساكنين عندما تكون درجات الحرارة الخارجية شديدة البرودة أو الحرارة.

في الصناعة، تُستهلك الطاقة لرفع أو خفض أو الحفاظ على درجة حرارة الأجسام أو سوائل العمليات. وإذا لم تكن هذه المواد معزولة، فإن ذلك يزيد من متطلبات الطاقة للعملية، وبالتالي التكلفة والأثر البيئي.

تقوم أنظمة التدفئة والتبريد بتوزيع الحرارة في جميع أنحاء المباني عبر الأنابيب أو مجاري الهواء. ويؤدي عزل هذه الأنابيب باستخدام مواد عازلة إلى تقليل الطاقة المتسربة إلى الغرف غير المأهولة، كما يمنع تكثف الرطوبة على الأنابيب الباردة.

كما تُستخدم مواد عزل الأنابيب في شبكات إمداد المياه للمساعدة في تأخير تجمد الأنابيب لفترة زمنية مقبولة.

يتم تركيب العزل الميكانيكي بشكل شائع في المنشآت الصناعية والتجارية.

وُجد أن العزل الحراري يُحسّن الانبعاث الحراري لأسطح التبريد الإشعاعي السلبي، وذلك بزيادة قدرة السطح على خفض درجات الحرارة إلى ما دون درجة حرارة المحيط تحت تأثير الإشعاع الشمسي المباشر. ^{[ 6 ]} يمكن استخدام مواد مختلفة للعزل الحراري، بما في ذلك هلاميات البولي إيثيلين الهوائية التي تُقلل من امتصاص الطاقة الشمسية واكتساب الحرارة الطفيلية، مما قد يُحسّن أداء المُشع بنسبة تزيد عن 20%. ^{[ 6 ]} كما أظهرت هلاميات هوائية أخرى أداءً قويًا في العزل الحراري لأسطح التبريد الإشعاعي، بما في ذلك هلام هوائي نانوي من السيليكا والألومينا . ^{[ 7 ]}

تتكون الثلاجة من مضخة حرارية وحجرة معزولة حرارياً. ^{[ 8 ]}

يُعرّض الإطلاق والعودة إلى الغلاف الجوي المركبات الفضائية لإجهادات ميكانيكية شديدة، لذا تُعدّ متانة العازل بالغة الأهمية؛ فقد تسبب انهيار بلاطات العزل في مكوك الفضاء كولومبيا في ارتفاع درجة حرارة هيكل المكوك وتفككه أثناء العودة، مما أدى إلى مقتل رواد الفضاء الذين كانوا على متنه. تُولّد عملية العودة عبر الغلاف الجوي درجات حرارة عالية جدًا نتيجة انضغاط الهواء بسرعات عالية. يجب أن تتمتع مواد العزل بخصائص فيزيائية دقيقة تتجاوز خصائصها في تثبيط انتقال الحرارة. من أمثلة مواد العزل المستخدمة في المركبات الفضائية: مخروط الأنف المصنوع من مركب الكربون المقوى، وبلاطات ألياف السيليكا المستخدمة في مكوك الفضاء . انظر أيضًا: الطلاء العازل .

تُنتج محركات الاحتراق الداخلي كمية كبيرة من الحرارة أثناء دورة الاحتراق. وقد يؤثر ذلك سلبًا على المكونات الحساسة للحرارة، مثل الحساسات والبطاريات ومحركات التشغيل. لذا، يُعد العزل الحراري ضروريًا لمنع وصول حرارة العادم إلى هذه المكونات.

تستخدم سيارات السباق، مثل سيارات الفورمولا 1، وسيارات الطرق عالية الأداء، وحتى معظم سيارات الطرق العادية، العزل الحراري للتحكم في درجات حرارة المكونات الحيوية، وذلك لحمايتها بشكل أساسي من الحرارة المنبعثة من مشعبات العادم وأنابيبه، و/أو الشواحن التوربينية. كما يُستخدم العزل الحراري في سيارات الطرق لتقليل انتقال حرارة المحرك ونظام العادم إلى داخل السيارة.

تستخدم محركات الطائرات، مثل المحركات النفاثة التوربينية، حواجز حرارية على مكونات مثل أقسام الاحتراق/الحارق اللاحق للحماية من الحرارة. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

يُعدّ العزل الحراري عنصراً أساسياً في تصميم البيوت الزجاجية، إذ يُتيح بيئات مُتحكّم بها لنمو النباتات وكفاءة الطاقة. تشمل تقنيات العزل الشائعة استخدام أغشية مزدوجة الطبقات وألواح البولي كربونات متعددة الجدران، التي تحبس الهواء بين الطبقات لتقليل انتقال الحرارة مع الحفاظ على نفاذية كافية للضوء لعملية التمثيل الضوئي. تُحسّن هذه الإجراءات كفاءة الطاقة وتدعم إنتاج المحاصيل على مدار العام، مما يُقلّل تكاليف التدفئة بشكل ملحوظ.