ما هو العزل الحراري

المواد العازلة
تكون بعض المواد في شكل نقي عبارة عن عوازل لكنها رغم ذلك تتصرف بخلاف ذلك إذا كانت مخلوطة بكميات صغيرة من عناصر أخرى، وعلى سبيل المثال، فمعظم أنواع السيراميك عبارة عن عوازل ممتازة، ولكن إذا تم خلط أنواع مواد أخرى معها فإنها تتصرف كمواد موصلة وليست مواد عازلة، وأيضًا الماء النقي عبارة عن عازل، في حين أنّ المياه غير النقية تمامًا تعمل بشكل ضعيف كمادة عازلة، وتجدر الإشارة إلى أنّ شكل وحجم المادة يؤثر على كونها مادة عازلة أم لا، ومن المواد العازلة: المطاط والزجاج والماس والخشب والقطن والبلاستيك والأسفلت والكوارتز والخزف، وسيتناول هذا المقال الإجابة عن سؤال:”ما هو العزل الحراري؟”.[١]
خصائص المواد العازلة
قبل توضيح الإجابة عن سؤال: “ما هو العزل الحراري؟” تجدر الإشارة إلى أن العوازل الحرارية تهدف إلى تقليل معدّل انتقال الحرارة من خلال طرق كالتوصيل أو الإشعاع، وفي سبيل ذلك تشترك جميع العوازل في بعض الخصائص التي يمكن توضيحها فيما يأتي: [٢]
التوصيلية الحرارية: أفضل العوازل الحرارية لديها أدنى قدر من التوصلية الحرارية، فهذه الخاصية في الأساس تقيس مدى قدرة الحرارة على توصيل كتلتها، وكلما انخفض قياس التوصيلية قلّ قدر ما تستطيع المادة توصيله من الحرارة، مما يمكّنها من حجز الحرارة أو حماية محتوياتها الداخلية من الحرارة الخارجية.
مقاومة الحرارة: يجب أن تكون العوازل الحرارية أيضًا مقاومة للحرارة، ومن المحتمل أن تكون عرضة للحرارة على أسطحها بسبب عدم قدرة الحرارة على الحركة من خلالها.
نفاذية الهواء: نفاذية الهواء هي خاصية تسمح للهواء بالمرور عبر مسام تلك المواد العازلة، وارتفاع نفاذية الهواء يعني انخفاض مستوى التوصيل الحراري.
ما هو العزل الحراري
للإجابة عن سؤال: “ما هو العزل الحراري؟” ينبغي توضيح أن العزل الحراري هو الحد من انتقال الحرارة، أي الحد من نقل الطاقة الحرارية بين الأجسام أثناء التلامس الحراري أو حتى في نطاق التأثير الإشعاعي، ويمكن تحقيق العزل الحراري بطرق أو عمليات هندسية خاصة، فالتدفق الحراري يحدث في الأساس كنتيجة حتمية للتلامس بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة، ولذلك يوفر العزل الحراري منطقة عزل منفصلة بحيث يتم إلغاء التوصيل الحراري أو ينعكس الإشعاع الحراري بدلًا من امتصاصه من خلال الجسم ذي درجة الحرارة المنخفضة، ولتوضيح المزيد عما هو العزل الحراري تجدر الإشارة إلى أنّ القدرة العازلة للمادة تُقاس بعكس التوصيلية الحرارية، فالتوصيلية الحرارية المنخفضة تعادل القدرة العازلة العالية، وفي الهندسة الحرارية تتمثل العوامل المهمة الأخرى التي تؤثر في العزل في كثافة الجسم والسعة الحرارية المحددة له، ويتم إجراء العزل الحراري عن طريق تغليف مادة ذات توصيلية حرارية منخفضة بسمك آخر عالي، ويمكن أن يؤدي تقليل مساحة السطح المكشوف إلى تقليل انتقال الحرارة، وهذه إجمالًا هي إجابة سؤال: “ما هو العزل الحراري؟”.[٣]
أسباب العزل الحراري
بعد توضيح إجابة سؤال: “ما هو العزل الحراري؟” تجدر الإشارة إلى أنّه يتم تصنيف المواد على أنها مواد عازلة أو غيرها وفقًا للتوصيلية الكهربائية الخاصة بهم، ويمكن فهم أسباب حدوث العزل الحراري من الناحية الذرية، إذ يمكن أن تحتوي الإلكترونات الموجودة في الذرة على طاقات معينة محددة بشكل جيد، وحسب طاقاتها تشغل الإلكترونات مستويات طاقة معينة، ففي الذرة النموذجية يوجد العديد من الإلكترونات، فتمتلئ مستويات الطاقة المنخفضة بموجب قاعدة ميكانيكية الكم المعروفة باسم مبدأ استبعاد باولي، وفي المواد الصلبة يكون عدد الذرات وبالتالي عدد المستويات كبيرًا جدًا، وتتداخل معظم مستويات الطاقة الأعلى بشكل مستمر باستثناء بعض النطاقات التي لا توجد فيها مستويات على الإطلاق، ويشار إلى المناطق التي ليس لها مستويات طاقة باسم فجوات النطاق.[٤]
إنّ أعلى مستويات طاقة تشغلها الإلكترونات هي مستويات التكافؤ، وفي المواد العازلة حراريًا، تملأ الإلكترونات مستويات التكافؤ بالكامل، ولا يمكن أن تتحرك الإلكترونات تحت تأثير مجال كهربائي إلا إذا أعطيت طاقة كافية لعبور مستويات الطاقة، وبالنسبة للعديد من المواد بما في ذلك المعادن، تميل مقاومة تدفق الشحنة إلى الزيادة مع درجة الحرارة، لذلك فإنّ مقاومة العوازل تتناقص بسرعة مع درجة الحرارة التي يتم استخدامها غالبًا في توضيح ما هو العزل الحراري وما هي التوصيلية الكهربائية، إذ تؤدي زيادة الطاقة الحرارية إلى ملء بعض الإلكترونات في مستويات الطاقة بحيث تخضع لتأثير المجال الكهربائي المتأثر بحقل كهربائي خارجي، فاختلاف الطاقة بين مستويات التكافؤ له تأثير قوي ينتج عنه العزل الحراري للكثير من المواد، لذلك فإن الماء النقي ليس عازل حراري إذ يتم فصل جزء صغير جدًا فقط من جزيئات الماء إلى أيونات.[٤]
استخدامات المواد العازلة
بعد الإجابة عن سؤال: “ما هو العزل الحراري؟” سيكون من المفيد توضيح استخدامات المواد العازلة، وعلى الرغم من أنّ العازل في الاعتقاد الشائع هو مادة غير موصلة إلا إنّه في الواقع يوصف على نحو أفضل بأنه موصل ضعيف أو مادة عالية المقاومة لتدفق التيار الكهربائي، وهذا ينعكس على استخداماته المتعددة، حيث تُستخدم العوازل الكهربائية لعقد الموصلات الكهربائية أو فصلها عن بعضها البعض وعن الأجسام المحيطة، حيث تُشكّل العوازل حاجزًا بين الأجزاء النشطة من الدائرة الكهربائية، وتحصر تدفق التيار على الأسلاك أو مسارات التوصيل الأخرى، ويعد عزل الدوائر الكهربائية مطلبًا ضروريًا للتشغيل الناجح لجميع الأجهزة الكهربائية والإلكترونية، إذ إنّها تعتمد عليه اعتمادًا أساسيًا، ويتم استخدام أنواع مختلفة من المواد الشائعة كعوازل كهربائية، ويتم تفضيل مواد عازلة عن أخرى تبعًا لأغراض استخدامها.[٥]
تجدر الإشارة إلى أنّ الموصلات النحاسية المستخدمة في الأسلاك الكهربائية للمنازل والمنشآت تكون بحاجة لمواد عازلة لفصلها عن بعضها البعض وعن المبنى بواسطة مواد كالمطاط أو البلاستيك وغيرها من المواد العازلة التي تلعب دورًا كبيرًا لا سيّما في المؤسسات الصناعية، حيث يتم دعم خطوط الطاقة العلوية بعوازل البورسلين التي لا تتأثر بالكثير من العوامل الخارجية، ويتم أيضًا عزل المولدات الكهربائية الكبيرة والمحركات التي تستهلك الكثير من الطاقة ودرجات الحرارة العالية بمواد عازلة مثل الميكا، وفي بعض الصناعات يتم استخدام العزل الصلب بالتزامن مع العزل السائل أو الغازي، وعلى سبيل المثال ففي المحولات ذات الجهد العالي يوفر العزل الصلب صلابة ميكانيكية، في حين أنّ الزيوت والمواد السائلة الأخرى تُسهم في زيادة قوة العزل الحراري وتعمل على خفض الحرارة مع استخدام مواد مثل نيتريد السيليكون.[٥]