断熱材

断熱された円筒の場合、臨界半径ブランケットに到達する必要があります。臨界半径に達する前は、断熱材を追加しても熱伝達は増加します。^{[ 4 ]}対流熱抵抗は表面積に反比例し、したがって円筒の半径に反比例しますが、円筒シェル（断熱層）の熱抵抗は半径自体ではなく、外径と内径の比率に依存します。断熱材を適用して円筒の外径が増加すると、一定量の伝導抵抗（2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)に等しい）が追加されます。しかし、同時に対流抵抗は減少します。これは、ある臨界半径より下で断熱材を追加すると、実際に熱伝達が増加することを意味します。断熱された円筒の場合、臨界半径は次の式で与えられます^{[ 5 ]}

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

この式は、臨界半径が断熱材の熱伝達係数と熱伝導率のみに依存することを示しています。断熱された円筒の半径が断熱材の臨界半径よりも小さい場合、断熱材をどれだけ追加しても熱伝達は増加します。

気体は液体や固体に比べて熱伝導率が低いため、閉じ込めることができれば優れた断熱材となります。気体（空気など）の断熱効果をさらに高めるには、自然対流では効果的に熱を伝達できない小さなセルに分割することが有効です。対流は浮力と温度差によって駆動される大きな気体の流れであり、密度差が小さい小さなセルではうまく機能しません。また、小さなセルは表面積対体積比が大きいため、粘性抵抗によって気体の流れが阻害されます。

人工断熱材に微細な気泡を形成するためには、ガラスやポリマー材料を用いて発泡体状の構造内に空気を閉じ込める方法がある。この原理は、グラスウール、セルロース、ロックウール、ポリスチレンフォーム（発泡スチロール）、ウレタンフォーム、バーミキュライト、パーライト、コルクなど、建築物や配管の断熱材として工業的に利用されている。また、空気を閉じ込める原理は、ウール、ダウンフェザー、フリースといった高断熱性の衣料材料にも共通している。

空気を閉じ込める性質は、恒温動物が体温を維持するために用いる断熱原理でもあり、例えば羽毛や、天然の羊毛などの断熱性のある毛髪がその例です。どちらの場合も、主な断熱材は空気であり、空気を閉じ込めるために使用されるポリマーは天然のケラチンタンパク質です。

建物内の適切な温度を維持すること（暖房と冷房）は、世界のエネルギー消費量の大部分を占めています。建物の断熱材も、前述のように小さな気泡を閉じ込める原理を一般的に利用しており、例えばグラスファイバー（特にグラスウール）、セルロース、ロックウール、ポリスチレンフォーム、ウレタンフォーム、バーミキュライト、パーライト、コルクなどが挙げられます。一時期はアスベストも使用されていましたが、健康被害を引き起こしました。

窓断熱フィルムは、断熱対策として、夏場の熱放射の流入を減らし、冬場の熱損失を低減するために使用できます。

断熱性能が優れた建物は、次のような特徴を備えています。

• エネルギー効率が高く、冬は暖房費、夏は冷房費が安く済みます。エネルギー効率の向上は、二酸化炭素排出量の削減につながります。
• 空間全体に温度が均一に保たれるため、より快適です。外壁、天井、窓から内壁にかけて、垂直方向（足首の高さから頭の高さまで）と水平方向の両方で温度勾配が少なくなるため、外気温が極端に低い場合や高い場合でも、より快適な居住環境が実現します。

産業においては、物体やプロセス流体の温度を上げたり下げたり、維持したりするためにエネルギーを消費する必要がある。これらが断熱されていない場合、プロセスのエネルギー消費量が増加し、結果としてコストと環境負荷が増大する。

暖房・冷房システムは、配管やダクトを通して建物全体に熱を分配します。配管断熱材を用いてこれらの配管を断熱することで、無人の部屋への熱の流入を抑え、冷え切った配管に結露が発生するのを防ぐことができます。

水道管の断熱材は、配管の凍結を許容できる期間遅らせるために、給水管にも使用されます。

機械設備の断熱は、一般的に工業施設や商業施設に設置されます。

断熱材は、直射日光下で表面温度を周囲温度より低くする能力を高めることにより、受動放射冷却面の熱放射率を向上させることがわかっています。 ^{[ 6 ]}断熱材にはさまざまな材料が使用できます。例えば、太陽光の吸収と寄生熱の獲得を低減し、放射体の性能を20%以上向上させる可能性のあるポリエチレンエアロゲルなどがあります。 ^{[ 6 ]}シリカアルミナナノファイバーエアロゲルなど、他のエアロゲルも放射冷却面に対して優れた断熱性能を示しました。^{[ 7 ]}

冷蔵庫はヒートポンプと断熱されたコンパートメントから構成されている。^{[ 8 ]}

打ち上げと再突入は宇宙船に深刻な機械的ストレスを与えるため、断熱材の強度は極めて重要です。スペースシャトル・コロンビア号の断熱タイルが破損したことで、再突入時に機体が過熱して分解し、搭乗していた宇宙飛行士が死亡しました。大気圏への再突入では、高速での空気の圧縮により非常に高い温度が発生します。断熱材は、熱伝導抑制特性に加えて、厳しい物理的特性を満たす必要があります。宇宙船に使用されている断熱材の例としては、スペースシャトルの強化炭素複合材製ノーズコーンやシリカ繊維タイルなどがあります。断熱塗料も参照してください。

内燃機関は燃焼サイクル中に大量の熱を発生します。この熱がセンサー、バッテリー、スターターモーターなどの熱に弱い部品に到達すると、悪影響を及ぼす可能性があります。そのため、排気ガスからの熱がこれらの部品に到達するのを防ぐために、断熱対策が必要となります。

F1などのレーシングカー、高性能ロードカー、そしてほとんどの一般乗用車でさえ、重要な部品の温度を制御するために断熱材を使用しています。主な目的は、排気マニホールドや排気管、ターボチャージャーなどから放射される熱から部品を保護することです。また、一般乗用車においても、エンジンや排気系の熱が車内へ伝わるのを抑えるために、遮熱材がよく用いられます。

ターボジェットなどの航空機エンジンは、熱保護のために燃焼器セクション/アフターバーナーなどのコンポーネントに熱バリアを使用しています。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

断熱は温室設計において不可欠な要素であり、植物の生育に適した環境制御とエネルギー効率の向上を実現します。一般的な断熱技術としては、二重層フィルムや多層ポリカーボネートパネルの使用が挙げられます。これらの素材は層間に空気を閉じ込めることで熱伝導を抑えつつ、光合成に必要な光透過率を維持します。こうした対策によりエネルギー効率が向上し、年間を通して作物を生産することが可能となり、暖房費を大幅に削減できます。