پیش از این، در مجله فرادرس انواع روشهای انتقال حرارت را معرفی و معادلات آنها را بررسی کردیم. در این مقاله، به دنبال بررسی روشهایی هستیم که انتقال حرارت از سطوح مختلف را کاهش دهد. عایق حرارتی به ماده یا ترکیبی از مادههای مختلف گفته میشود که به منظور ایجاد مقاومت در مسیر انتقال حرارت، به کار میرود. اصول عمکلرد عایق حرارتی، کاربردهای آن، اَبَرعایقها و برخی روابط محاسباتی، مطالبی هستند که در ادامه پوشش داده خواهد شد. شکل زیر این موضوع را به خوبی نشان میدهد.
احتمالاً در زندگی روزمره به برخی از انواع عایق حرارتی برخورد کردهاید. بیشتر این عایقها، از جنس مادههای ناهمگونی هستند که هدایت حرارتی بسیار پایینی دارند و در درون آنها، کیسههای هوا وجود دارد. وجود کیسههای هوا، دور از انتظار نیست. چرا که هوا یکی از پایینترین ضرایب هدایت حرارتی را داشته و همیشه نیز در دسترس است. فومِ پلی استایرن (Styrofoam) که عموماً برای بستهبندی تلویزیون، کامپیوتر و لوازم برقی به کار میرود، در نقش عایق هم عملکرد مناسبی دارد.
نیروی محرکهای که منجر به انتقال حرارت میشود، اختلاف دما است. هرچه اختلاف دما بیشتر باشد، نرخ انتقال حرارت نیز بزرگتر خواهد بود. اگر بتوانیم موانعی (Barriers) در سر راه جریان انتقال گرما قرار دهیم، ممکن است موفق شویم انتقال حرارت بین دو محیط با دماهای مختلف را کُندتر کنیم. ایفای نقش این موانع، به عهده عایق حرارتی است و این عایقها در طراحی و ساخت تمام تجهیزاتی که صرفهجویی انرژی در آنها اهمیت دارد، بسیار تأثیرگذار هستند. در سال ۱۹۹۱ میلادی، مطالعهای در دانشگاه درکسل (Drexel University) پیرامون مصرف انرژی در صنایع ایالات متحده صورت گرفت. این مطالعه نشان داد که استفاده از عایق حرارتی قادر است تا حدود ۲ میلیارد بشکه نفت را در سال ذخیره کند. سود این صرفهجویی در حدود ۶۰ میلیارد دلار در سال تخمین زده شد. عددی که میتواند با ارتقای تکنولوژی و بهبود روشهای عایقکاری، از این هم فراتر برود.
حرارت و گرما در کوره با سوزاندن یک سوخت مانند زغالسنگ، نفت یا گاز طبیعی یا در هیتر و با عبور جریان الکتریکی از میان یک هیتر مقاومتی (Resistance Heater)، تولید میشود. استفاده از الکتریسیته، به دلیل بالا بودن قیمت واحد آن، به صرفه نیست و به ندرت مورد استفاده قرار میگیرد. گرمای تولید شده، توسط محیط داخل کوره و دیوارههای آن جذب میشود تا دمای آن نسبت به دمای محیط افزایش یابد. این اختلاف دما باعث میشود نیروی محرکهای بین محیط داغ و محیط اطراف آن ایجاد شود. در نتیجه، انتقال حرارت اتفاق میافتد. با کمک عایق حرارتی میتوان از اتلاف این گرما جلوگیری و در هزینه و مصرف سوخت صرفهجویی کرد.
به عبارت دیگر میتوان اینطور برداشت کرد که هزینه خرید و نصب عایق حرارتی با صرفهجویی در مصرف و کم شدن هزینه سوخت، جبران میشود. به طوری که تمام هزینه اولیه، ممکن است در فاصله کمتر از یک سال، از طریق کاهش هزینهها برگردد. از سوی دیگر، استفاده از عایق حرارتی به محیط زیست نیز کمک کرده و با آلودگی هوا و اثرات گلخانهای مقابله میکند. زیرا حجم سوخت مصرفی کاهش یافته و میزان گازهای سوزانده شده در اتمسفر به حداقل میرسد.
بهینهسازی مصرف انرژی، تنها محدود به سطوح داغ نمیشود. با استفاده از عایق حرارتی برای سطوح سرد نیز میتوان انرژی و سرمایه را حفظ کرد. سطوح سرد، به سطوحی گفته میشود که دمای آنها از دمای محیط کمتر باشد. خطوط آب سرد، مخزن ماده مبرد، اتومبیلهای یخچالدار و داکتهای تهویه هوا، نمونههایی از سطوح سرد هستند. مولد سرما، تبرید (Refrigeration) است. تبرید نیاز به انرژی ورودی دارد که این انرژی معمولاً به شکل الکتریسیته است. در این حالت، انتقال حرارت از محیط به سطوح سرد انجام میشود. اگر یک قوطی نوشابه را درون پتو بپیچیم، مدت زمان بیشتری خنک خواهد ماند! اگر دیوارههای یخچال، به درستی عایقبندی شده باشد، انرژی مصرفی به میزان قابل توجهی کاهش مییابد. عایقکاری خانه میتواند حجم سرمایش کولر را کاهش داده و مصرف برق را کمتر کند.
عایق حرارتی یک مفهوم ذاتی است که همه ما با آن آشنا هستیم. نوزاد وقتی در پتوی مخصوصش پیچیده شده باشد، احساس بهتری دارد. کودک وقتی در هوای سرد از خانه بیرون میرود، نیاز به کاپشن دارد. فردی که از استخر بیرون آمده، بلافاصله خود را در حوله میپیچد. اگر در تاریخ به عقب برگردیم، انسان اولیه با پوشیدن پوست حیوانات، خود را گرم نگه میداشت و خانه خود را از جنس چوب یا بلوکهای گِلی میساخت. تا مدتهای زیادی از چوب پنبه در ساختن سقف خانهها استفاده میشد. با پیشرفت تبرید مکانیکی در قرن نوزدهم میلادی، اهمیت استفاده از عایق حرارتی بیش از پیش روشن شد. در فاصله بین سالهای 1910 تا 1920، تحقیقات گستردهای در دانشگاهها و آزمایشگاهها بدین منظور صورت گرفت.
بحران انرژی در دهه 1970، تأثیر گستردهای در آگاهی عمومی نسبت به محدود بودن منابع انرژی و لزوم حفاظت از آنها داشت. امروزه، عایق حرارتی بیش از آنچه تصور شود، مورد استفاده قرار میگیرد. ضخامت دیوارههای یخچال، به دلیل داشتن لایههایی ساندویچی است که نقش عایق را دارند. همچنین در بسیاری از کاربردها، لولههای آب گرم نسبت به لولههای آب سرد، قطر بیشتری دارند.
