Что обозначает и как определяется теплопроводность строительных материалов?

движение молекул газаВ отличии от твердых тел, атомы или молекулы газа, мало того, что вообще не связаны друг с другом, они и не хотят связываться. Отталкиваясь друг от друга, молекулы газа стремятся равномерно заполнить весь объем пространства ограниченное твердым телом.

Видео

Фото

Что обозначает и как определяется теплопроводность строительных материалов?
Что обозначает и как определяется теплопроводность строительных материалов?
Что обозначает и как определяется теплопроводность строительных материалов?
Что обозначает и как определяется теплопроводность строительных материалов?
Что обозначает и как определяется теплопроводность строительных материалов?
Что обозначает и как определяется теплопроводность строительных материалов?

Коэффициенты теплопроводности и теплоемкости  материалов

При выборе теплоизоляционного материала или утеплителя очень важно знать его характеристики. И самыми важными являются коэффициенты теплопроводности и теплоемкости. В принципе, эти параметры взаимозависимые.

Итак, теперь немного вспомним общей информации из школьных уроков физики, что бы более подробно разобраться.

Теплопередача - процесс передачи тепловой энергии, который происходит обязательно при разности энергий ( температуры ) между атомами или молекулами при взаимодействии друг с другом. Он может быть как внутри одного вещества, между областями с разными температурами, так и через границу соприкосновения разных веществ. Скорость теплопередачи зависит от свойств вещества и разности температур.

Теплопроводность - это способность любого материала проводить или передавать тепло по своей длине. В качестве ее меры, для сравнения различных материалов, введен коэффициент теплопроводности, который измеряется в ВАТТ/(МЕТР х ТЕМПЕРАТУРУ ). То есть, если простыми словами: какое количество энергии будет выделятся и какая будет температура с одного конца стержня ( у испытуемого материала на теплопроводность) длинной 1 метр, при одинаковом нагреве с другого конца. Наглядное видео опытов смотрите в конце статьи.

Теплоемкость, способность материала принимать тепловую энергию, нагреваться по всему объему и ее накапливать, при воздействии температуры.

Сначала рассмотрим в твердом теле. Напомню, в нем атомы или молекулы не перемешиваются друг с другом, они прочно связаны с соседними, условно говоря, в виде кристаллической решетки, сохраняя общую форму тела, но колеблются около точек равновесия - узлов кристаллической решетки.
кристаллическая решетка твердого тела
В твердых телах тепловая энергия передается через колебания ( вибрацию ) атомов или молекул, но сами они остаются на месте, в узлах кристаллической решетки. Чем выше частота или амплитуда колебаний, тем выше температура тела. Нагревая с одного конца стержень, атомы начинают сильнее вибрировать, толкая соседние. Так как плотность твердого тела очень высокая, то есть количество атомов и молекул в единице объема очень велико, то и энергии будет передаваться много.

Но при соударении "выбивается" квант света - фотон, то часть энергии теряется в окружающее пространство, сначала в виде невидимого глазу, теплового инфракрасного излучения, а при большем нагреве уже и видимого. Вот почему светится лампочка при нагреве нити накаливания. В результате, в не изолированной системе, каждый последующий атом будет получать меньше энергии.

Газы

В отличии от твердых тел, атомы или молекулы газа, мало того, что вообще не связаны друг с другом, они и не хотят связываться. Отталкиваясь друг от друга, молекулы газа стремятся равномерно заполнить весь объем пространства ограниченное твердым телом.

Движение молекул хаотичное, так называемое броуновское и температура газа зависит от скорости этого хаотичного движения. Для сравнения, молекулы воздуха, при обычном давлении и температуре 20 градусов движутся со скоростью 500 метров в секунду между соударениями. Хотя перемещение в пространстве гораздо меньше.

Тепло в газе передается за счет передачи энергии скорости через соударение с другими молекулами. Но эта энергия может еще переносится на большое расстояние за счет конвекции - перемещении газа целыми потоками.

Есть еще понятие естественная конвекция - при нагреве нижних слоев газа, которые ближе к земле, увеличивается общая скорость броуновского движения, молекулы сильнее расталкивают друг друга, от этого уменьшается плотность газа и этот нижний, нагретый слой становится легче и подымается вверх, а на его место опускается холодный, верхний слой.

Паропроницаемость строительных материалов

        Все люди, когда строят свой дом, хотят чтобы он был прочным, надежным, долговечным и чтобы жить в нем было комфортно. В этой статье мы уделим внимание микроклимату помещения, разберемся, по каким параметрам он определяется, и как построить действительно комфортный для проживания дом. На микроклимат помещения влияют физические свойства материалов из которого оно построено, а так же их последовательность внутри ограждающей конструкции. Основные физические свойства материалов: плотность, паропроницаемость, теплопроводность, теплоустойчивость и теплоусвоение.
 
          Паропроницаемость. Многие слышали, что «дышащие» стены – это вроде бы хорошо. Но далеко не все знают, что это вообще такое. Так вот материал называют «дышащим», если он пропускает не только воздух, но и пар, то есть имеет паропроницаемость. Керамзит, дерево и пенобетон имеют хорошую паропроницаемостью. Некоторой паропроницаемостью облажает кирпич и бетон, но очень маленькой. Выдыхаемый человеком, выделяемый при приготовлении пищи или принятии ванной, пар, если в доме нет вытяжки, создаёт повышенную влажность. Признаком этого является появление конденсата на окнах или на трубах с холодной водой. Считается, что если стена имеет высокую паропроницаемость, то в доме легко дышится.

          На самом деле это не совсем так. В современном доме, даже если стены в доме из «дышащего» материала, 96% пара, удаляется из помещений через вытяжку и форточку, и только 4% через стены. Если на стены наклеены виниловые или флизиленовые обоями, то стены влагу не пропускают. А если стены действительно «дышащие», то есть без обоев и прочей пароизоляции, в ветреную погоду из дома выдувает тепло. А ещё они менее долговечны. Чем выше паропроницаемость материала, тем больше он может набрать влаги, и как следствие, у него более низкая морозостойкость. Пар, выходя из дома через стену, в «точке росы»  превращается в воду. Производители строительных материалов, таких как газоблок и пенобетон, хитрят, когда рассчитывают теплопроводность материала, они всегда считают, что материал идеально сухой. Теплопроводность отсыревшего газоблока увеличивается в 5 раз, то есть в доме будет, мягко говоря, очень холодно. Но самое страшное, что при падении ночью температуры, точка росы смещается внутрь стены, а конденсат, находящийся в стене замерзает. Вода при замерзании расширяется и частично разрушает структуру материала. Несколько сотен таких циклов приводят к полному разрушению материала. Поэтому паропроницаемость строительных материалов вещь не только бесполезная, но и вредная.

          В многослойной конструкции на паропроницаемость влияет последовательность слоев и расположение утеплителя. На рис 1 видно, что вероятность распределения температуры, давления насыщенного пара Рн и давления не насыщенного пара Рр предпочтительнее, если утеплитель находиться с фасадной стороны ограждающей конструкции. При расположении утеплителя внутри здания между ним и несущей конструкциеей образуется конденсат, который ухудшает микроклимат помещения и постепенно разрушает несущую сину.

         Теплопроводность - один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. Если материал стен обладает высокой теплопроводностью, то жить в таком доме будет крайне не комфортно. Стены будут быстро проводить тепло или холод с улицы в помещение.

          Теплоемкость – количество теплоты, которое нужно подвести к объему вещества, для изменения его температуры.

    Теплоусвоение. Теплофизические свойства ограждающей конструкции выравнивать колебания температуры в помещении, за счет поглощения ее материалом стен. Это свойство особенно полезно в условиях теплого кубанского климата. Днем материал стен поглощает тепло и отдает прохладу, ночью поглощает прохладу, отдает тепло. Усвоение тепла материалом ограждающей конструкции определяется коэффициентом теплоусвоения и зависит от величины теплопроводности, теплоемкости и объемной массы стены. Чем выше эти параметры, тем сильнее материал будет сглаживать температуру. Из таблицы 1 видно, что наибольшим теплоусвоением обладают металлы, из каменных конструкций бетон и железобетон.

       Теплоустойчивость. Свойство ограждающей конструкции сохранять при колебаниях потока тепла относительное постоянство температуры на поверхности, обращенной в помещение, называется теплоустойчивостью. От постоянства температуры на внутренней поверхности ограждающих конструкций зависит обеспечение условий комфорта для пребывающих в помещении людей.

         Теплоустойчивость ограждающей конструкции обеспечивается преимущественно теплоемкостью слоя резких колебаний. В часы действия отопления тепло накапливается в этом слое, а при перерывах в работе отопительной системы поступает в помещение, согревая внутренний воздух и обеспечивая относительное постоянство его температуры.
Такая теплоемкость может быть названа активной. Если указанный слой будет выполнен из материала с большим теплоусвоением, то в значительной мере будет обеспечена теплоустойчивость всей ограждающей конструкции.

Величина коэффициента теплопроводности здесь дается в системе единиц СГСЭ. Если выражать тепловой поток в калориях, то коэффициент теплопроводности следует приводить в калориях на градус на 1 CMZ. Новый численный коэффициент будет равен 3 - 10 - 14 кал / град. Из формулы (5.25) следует, что теплопроводность полностью ионизированной плазмы очень быстро растет с температурой. Уже при Г-105 коэффициент теплопроводности водородной плазмы превышает коэффициент теплопроводности серебра при комнатной температуре. [1]

Величина коэффициента теплопроводности определяется как среднее значение для всех 4 плит, так как все они в одинаковой степени участвуют в процессе нагрева. Данные опыта, полученные на основе одновременного испытания 4 образцов, дают более полную и надежную характеристику материала.

Величина коэффициента теплопроводности зависит от объемного веса, влажности и температуры материала. При увеличении объемного веса материала, его влажности и температуры значение коэффициента теплопроводности возрастает. Значения коэффициента теплопроводности строительных материалов приводятся в Строительных нормах и правилах ( см. СНиП П - А.

Величина коэффициента теплопроводности зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают металлы, наименьшим - газы.

Величина коэффициента теплопроводности для одного и того же материала не является величиной постоянной, она может изменяться в зависимости от его объемного веса, влажности, температуры и направления теплового потока.

Величина коэффициента теплопроводности А, зависит от природы тел и от их температуры.
К выводу уравнения теплопроводности для однослойной плоской стенки.     К выводу уравнения теплопроводности для однослойной плоской стенки.

Величина коэффициента теплопроводности Я зависит от природы вещества, его структуры, температуры и ряда других факторов. В зависимости от значений коэффициентов теплопроводности применяемые при конструировании химических аппаратов материалы могут быть условно подразделены на хорошие проводники тепла - металлы и плохие - теплоизоляционные материалы и газы.

Величина коэффициента теплопроводности представляет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через один квадратный метр изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.

Величина коэффициента теплопроводности зависит от объемного веса, влажности и температуры материала. При увеличении объемного веса материала, его влажности и температуры коэффициент теплопроводности увеличивается.

Влажность строительного материала и ее определение

Влажность способствует повышению теплопроводности: более сырой материал имеет больший коэффициент теплопроводности и обладает худшими теплозащитными характеристиками по сравнению с сухим. Это вызвано тем, что при увлажнении материала его поры заполняются водой, имеющей высокий коэффициент теплопроводности (приблизительно в 20 раз больший, чем воздух).

Чем больше влаги впитывает материал, тем выше становится его теплопроводность. Например, при повышении влажности кирпичной стены толщиной 0,5 м из обыкновенного глиняного кирпича с нормальной, равной 2 %, до 8 %, ее теплозащита ухудшается более чем на 30 %. И если при температуре внутреннего воздуха +20 СС и наружного  20 °С на поверхности сухой стены температура составляет 14,4 °С, то на сырой стене на 2,7 °С ниже и равняется 11,7°С (рис. 2.5).

Поэтому для теплозащиты домов очень важно, чтобы строительный материал, и в первую очередь утеплитель, был обязательно сухим, а конструкции наружных ограждений были сделаны с таким расчетом, чтобы в них не образовывался конденсат и не скапливалась влага, приводящая к ухудшению теплоизоляционной способности стен, окон, чердачных перекрытий, полов первого этажа.
             
На теплопотери через ограждения наибольшее влияние оказывает их способность передавать теплоту, которая зависит от коэффициента теплопроводности и толщины материала. Чем меньше коэффициент теплопроводности и толще стена, тем больше ее термическое сопротивление (передаче теплоты) и лучше ее теплозащитные свойства.

Кроме того, количество теряемой теплоты зависит от сопротивления теплообмену конвекцией и излучением у поверхности внутренней и наружной стен. Чем интенсивнее происходит теплообмен, тем больше теплоты теряется из помещения и передается внутренней поверхности конструкции или отдается поверхностью стены наружу, тем меньше сопротивление теплообмену и хуже теплозащита.

Таким образом, теплозащитная способность стены, ее сопротивление теплопередаче, зависят от интенсивности передачи теплоты на трех участках (у внутренней поверхности, в толще ограждения, у наружной поверхности), каждый из которых имеет свое сопротивление. Общее сопротивление теплопередаче представляет собой их сумму (рис. 2.6).

Теплопроводность железобетона

Теплопроводность железобетона - коэффициент теплопроводностиЖелезобетон является композиционным материалом, который состоит из стали и бетона. Теплопроводность железобетона составляет 1,7 Вт/(м °С), при плотности бетона 2500кг/м3. Известно, что теплопроводность тяжелых бетонов в несколько раз больше, чем у легких.

Характеристики материала.

Тепловой поток, передающийся через всю толщину бетона, возникает из-за разности температур на поверхности материала. Следует учитывать, что бетон проводит тепло хуже чем сталь. Благодаря своей невысокой теплопроводности, любой железобетон обладает очень высокой стойкостью к огню. Железобетон выдерживает очень высокие температуры в течение длительного времени, не трескаясь и не разрушаясь.

Следует отметить и теплоемкость данного материала, которая составляет около 0,00001 °С, следовательно при увеличении температуры, бетон будет расширяться. Сем выше температура, тем сильнее расширяется бетон. Чтобы не было растрескиваний при строительстве из железобетона объектов большой протяженности, их разделяют температурно-усадочными швами.

Теплопроводность любого материала, в том числе и железобетона, зависит от проводимости тепла его составляющих. Следовательно, эта характеристика в основном определяется видом используемого заполнителя бетона и металлических вставок.

От чего зависит и на что влияет.

Между теплопроводностью и плотностью железобетона существует общая зависимость. Аморфные материалы меньше проводят тепло, чем кристаллические. Например, силикатное стекло с плотностью 2500кг/м3 имеет теплопроводность около 0,8 Вт/(м °С), а железобетон 1,7 Вт/(м °С).

Чем выше плотность бетона, тем больше тепла он проводит, но при этом у этого правила есть и отклонения, зависящие от состава материала. Все данные, влияющие на этот показатель, можно рассчитать по специальным формулам. По формулам вычисляется коэффициент, зависящий от плотности материала.

Также, он зависит от влажности. Этот показатель для воды составляет 0,58 Вт/(м °С), поэтому если поры железобетона заполнит вода, то увеличится и проводимость тепла. Увлажненный железобетон несет большие теплопотери и зимой может промерзать и растрескиваться.

Итак, из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что от этой характеристики зависят теплопотери, промерзание, растрескивание и разрушение материала, но при этом при теплопроводности в 1,7 Вт/(м °С) он не боится огня и имеет хорошие свойства.

Статистика Видео: 
0
 

Тематическая подборка