Czy powietrze to dobry izolator?

powietrze izolator

Jeśli miałeś do czynienia z izolacją termiczną w przeszłości, być może słyszałeś już stwierdzenie, że powietrze jest dobrym izolatorem. To stwierdzenie może stwarzać wiele pytań, szczególnie jeśli nie jesteś zaznajomiony z branżą izolacji lub właściwościami powietrza. Przejdźmy jednak do sedna, na tym etapie należy zadać sobie pytanie: „Dlaczego powietrze jest dobrym izolatorem?”

Ogólnie gazy są lepszymi izolatorami niż ciecze, które są lepszymi izolatorami niż ciała stałe. Gęstość jest dużym czynnikiem wpływającym na zdolność izolacji substancji. Gęstość zależy od odstępów międzycząsteczkowych lub odległości między cząsteczkami materiału. Aby uzyskać lepszy obraz, spójrzmy na różne fazy H2O. W stanie stałym, podobnie jak lód, cząsteczki powietrza są znacznie bliżej siebie w stosunku do stanu gazowego tj. pary wodnej. Im większy odstęp między cząsteczkami materiału, tym trudniej jest przenosić ciepło przez ten materiał. Na podstawie tych stwierdzeń możemy stwierdzić, że powietrze jest dobrym izolatorem. Jest substancją gazową, dlatego jego rozproszona struktura molekularna jest odporna w pewnym stopniu na przenoszenie ciepła.

Dobrym praktycznym przykładem jest picie gorącej kawy lub herbaty. Kiedy podnosimy kubek ze stołu, aby wziąć łyk, możemy poczuć, że temperatura napoju staje się gorętsza z momentem gdy napój zbliża się do twarzy. Powodem, dla którego nie czujesz tego samego ciepła kawy lub herbaty ze stołu, jest to, że powietrze działa jako izolator.


Przykłady powietrza jako izolatora

Przykładem powietrza jako izolatora jest okno dwuszybowe. Okna dwuszybowe to dwa arkusze szkła ze stojącą przestrzenią powietrza lub gazu między dwiema szybami. Ta niewielka przestrzeń powietrza pomiędzy dwiema warstwami szkła zmniejsza zdolność przenoszenia ciepła poprzez konwekcję. Konwekcja to przenoszenie ciepła przez ruch płynnej materii, a płyny są tylko płynami i gazami.

Ponieważ ten obszar powietrza ma bardzo minimalny ruch, bardzo trudno jest przenosić ciepło za pomocą tego medium.

Inne przykłady powietrza jako izolatora obejmują izolowane kubki do kawy. Jeśli pijesz z papierowego kubka, twoja ręka poczuje ciepło kawy, może nawet tak bardzo, że potrzebny będzie papierowy uchwyt  do kubka. Ale jeśli twój napój znajduje się w termosie, możesz ledwie odczuwać ciepło podczas jej trzymania. Nie tylko jest wtedy chłodniejszy w dotyku, ale również utrzymuje temperaturę kawy przez dłuższy czas. Obecnie możemy rozróżnić dwa rodzaje izolacji kubków – kubki termiczne oraz kubki z polistyrenu, określane jako styropianowe. Kubki termiczne działają dokładnie w taki sam sposób, jak okna dwuszybowe. Mają wewnętrzną i na zewnętrzną warstwę oddzieloną powietrzem w celu zmniejszenia konwekcji. Polistyren jest rodzajem izolacji, która może składać się z ponad 95% powietrza. Jeśli wcześniej używałeś kubków termicznych, wiesz, że jest tylko niewielka zmiana temperatury zewnętrznej ścianki kubka.

Istnieją różne sposoby pomiaru skuteczności izolatora. Wspólna skala używa terminu zwanego współczynnikiem k (k-factor). Współczynnik k mierzy się w BTU-in/hr — ft2 — °F. Poniżej znajduje się tabela przedstawiająca przewodność cieplną lub współczynnik k powietrza w porównaniu z innymi typowymi rodzajami izolacji.

Przewodność cieplna lub współczynnik k powietrza w porównaniu z innymi powszechnymi rodzajami izolacji

Temperatura Powietrze Włókno szklane Pirożel Cryogel
-200˚F 0.095 0.096
-100˚F 0.13 0.10
0˚F 0.16 0.11
32˚F 0.17 0.14
75˚F 0.18 0.21 0.12
100˚F 0.19 0.12
200˚F 0.22 0.13
212˚F 0.22 0.16
300˚F 0.24 0.30
392˚F 0.27 0.19
500˚F 0.29 0.42
572˚F 0.31 0.24
752˚F 0.35 0.32
932˚F 0.39 0.44
1112˚F 0.42 0.62

Materiały izolacyjne wymienione w powyższej tabeli wykorzystują powietrze na różne sposoby, niż w przypadku okna dwuszybowego. Włókno szklane ma na przykład niską gęstość i składa się z tkanego krzemu osadzonego w drobnych kryształach szklanych. Włókno szklane ma powietrze w sobie, ograniczając przenikanie ciepła.

Doskonałe właściwości izolacyjne powietrza

Chociaż powietrze ma doskonałe właściwości izolacyjne, samo w sobie nie jest w stanie wykazać takich właściwości. Musi zostać postawiona granica. Innymi słowy, jeśli powietrze jest skupione w ramach określonych granic, może pracować z pełnym potencjałem. Aby umieścić tę koncepcję w lepszej perspektywie, spójrzmy na dobrze izolowany dom. Ściany zewnętrzne, drzwi i okna działają jako szczelna obudowa, gdy są odpowiednio uszczelnione. Jeśli jest zimny dzień, a dom jest ogrzewany, ściany, drzwi i okna utrzymają zimną temperaturę na zewnątrz, a ciepło wewnątrz. Załóżmy teraz, że w drzwiach lub oknie jest przeciąg. Nastąpi znaczny spadek zdolności izolacyjnej domów, i skuteczność utrzymywania ciepła wewnątrz i zimna na zewnątrz stanie się znacznie mniejsza. Odczuwalna będzie wtedy różnica temperatury wewnątrz domu, a co najistotniejsze, kosztować będzie znacznie więcej ogrzanie takiego domu.

Więc zadajmy sobie pytanie jeszcze raz, czy powietrze jest dobrym izolatorem ciepła? Odpowiedź na to pytanie brzmi „tak”, jeśli jest prawidłowo wykorzystywane. Powietrze musi znajdować się w ramach wyznaczonych granic aby zredukować przewodzenie ciepła do maksimum, tak jak ma to miejsce w oknach dwuszybowych, kubkach termicznych do kawy i powszechnie stosowanych rodzajach izolacji.