Коэффициент теплопроводности материалов. Что такое теплопроводность?

Проще говоря, теплопроводность — это передача тепла от более теплого тела к менее теплому. Не вдаваясь в излишние подробности, все физические материалы и вещества могут передавать тепловую энергию.

Теплопроводность

Явление теплопроводности — это передача тепла от структурных частиц материи — молекул, атомов, электронов — при их тепловом движении. В жидкостях и твердых телах — диэлектриках — передача тепла происходит путем прямой передачи теплового движения от молекул и атомов к соседним частицам вещества. В газообразных телах передача тепла происходит за счет обмена энергией при столкновении молекул с различными тепловыми скоростями движения. В металлах теплопроводность в основном обусловлена движением свободных электронов.

Основной зеком теплопроводности включает в себя ряд математических терминов, определения которых следует напомнить и объяснить.

Температурное поле — это набор значений температуры во всех точках тела в определенный момент времени. Математически она описывается как t = f ( x, y, z, t ). Различают поле постоянной температуры, когда температура во всех точках тела не зависит от времени (не изменяется со временем), и поле непостоянной температуры. Если температура изменяется только вдоль одной или двух пространственных координат, то температурное поле называется одномерным или двумерным.

Изотермическая поверхность — это геометрическое расположение точек, в которых температура одинакова.

Градиент температуры (grad t) — это вектор, направленный вдоль перпендикуляра к изотермической поверхности и численно равный производной от температуры в этом направлении.

Согласно фундаментальному закону теплопроводности, закону Фурье (1822), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:

Где λ — коэффициент теплопроводности вещества; его единица измерения — Вт /( м-К).

Знак минус в уравнении (3) указывает на то, что вектор q направлен в противоположную сторону от вектора grad t, т.е. в сторону наибольшего снижения температуры.

Тепловой поток δQ через произвольно ориентированную единичную область dF равен скалярному произведению вектора q на единичный вектор области dF, а общий тепловой поток Q через всю область F определяется путем интегрирования этого произведения по области F:

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Коэффициент теплопроводности λ в законе Фурье (3) описывает способность данного вещества передавать тепло. Значения коэффициентов теплопроводности можно найти в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Математически коэффициент теплопередачи λ = q/градус t равен плотности теплового потока q при градиенте температуры градуса t = 1 К/м. Легкий газ, водород, обладает самой высокой теплопроводностью. При комнатных условиях теплопроводность водорода составляет λ = 0,2 Вт/(м-К). Более тяжелые газы имеют меньшую теплопроводность: воздух λ = 0,025 Вт/(м-К), углекислый газ λ = 0,02 Вт/(м-К).

Чистое серебро и медь имеют самый высокий коэффициент теплопроводности: λ = 400 Вт/(м-К); для углеродистых сталей λ = 50 Вт/м-К. Для жидкостей коэффициент теплопроводности обычно составляет менее 1 Вт/( м-К). Вода, с λ = 0,6 Вт/м-К, является одним из лучших жидких теплопроводников.

Перенос теплоты теплопроводностью

Простейшей и очень распространенной задачей, решаемой теорией теплопередачи, является определение плотности теплового потока, передаваемого через плоскую стенку толщиной δ, на поверхности которой температура tw1и tw2(Рисунок 2). Температура изменяется только по толщине пластины — по единственной координате x. Такие задачи называются одномерными, и их решения являются самыми простыми, поэтому в этом уроке мы ограничимся только одномерными задачами.

Учитывая, что для одномерной задачи :

и, используя фундаментальный закон теплопроводности (2), получим дифференциальное уравнение установившейся теплопроводности для плоской стены:

В стационарных условиях, когда энергия на нагрев не расходуется, плотность теплового потока q постоянна по всей толщине стенки. В большинстве практических приложений предполагается, что коэффициент теплопроводности λ не зависит от температуры и остается одинаковым по всей толщине стенки. Значение λ можно найти в технических книгах при температуре

Среднее значение между температурами поверхностей стен. (Ошибка расчета обычно меньше, чем неточность исходных данных и табличных значений, и если коэффициент теплопроводности линейно связан с температурой: λ = a+ bt, то точная формула расчета для q не отличается от приближенной). Если λ = const :

т.е. зависимость температуры t от координаты x линейна (рис. 2).

Рисунок 2. Распределение постоянной температуры по толщине плоской стенки.

Разделив переменные в уравнении (7) и проинтегрировав по t на tw1чтобы получитьw2и с x от 0 до d :

получаем функцию для вычисления плотности теплового потока:

Или мощность теплового потока (тепловой поток):

Поэтому количество тепла, передаваемого через 1 м 2 стены, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ и разности температур между наружными поверхностями стены ( tw1– tw2) и обратно пропорциональна толщине стенки δ. Общее количество тепла, проходящего через стенку площадью F, также пропорционально этой площади.

Для тепловых расчетов часто используется более простая формула (10). Эта формула используется не только для расчета плотности теплового потока через плоские стены, но и для оценки более сложных случаев, упрощая расчеты путем замены стен со сложной конфигурацией на плоскую стену. Иногда тот или иной вариант уже отбрасывают на основе оценки, не тратя дополнительное время на его детальную обработку.

Однако, используя формулу (10), можно рассчитать коэффициент теплопроводности материала, если экспериментально измерить тепловой поток и разность температур на поверхностях пластины (стенки) с известными размерами.

Температура тела в точке x определяется по следующей формуле.

Отношение λF/δ называется теплопроводностью стены, а обратная величина δ/λF — термическим или тепловым сопротивлением стены и обозначается Rλ. Используя понятие термического сопротивления, формула для расчета теплового потока может быть представлена следующим образом:

Функция (11) аналогична закону Ома в электротехнике (электрический ток равен разности потенциалов, деленной на электрическое сопротивление проводника, по которому течет ток).

Примеры расчетов.

Пример 1. Необходимо определить тепловой поток через бетонную стену толщиной 200 мм, высотой H = 2,5 м и длиной 2 м, если температура на ее поверхности равна: tс1= 20 0 C, tс2= — 10 0 C и коэффициент теплопередачи λ = 1 Вт/(м-К):

Пример 2: Коэффициент теплопередачи стенки толщиной 50 мм с плотностью теплового потока q = 100 Вт/м 2 и разностью температур на ее поверхностях Δt = 20 0 C

Читать еще:  Цесарка птица. Образ жизни, среда обитания и разведение цесарок. Цесарка что за птица фото?

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства следует обращать внимание на их свойства. Одним из наиболее важных свойств является теплопроводность. На это указывает коэффициент теплопроводности. Это количество тепла, которое материал может провести за единицу времени. Это означает, что чем ниже этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше число, тем лучше отводится тепло.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для теплоизоляции, а материалы с высокой теплопроводностью — для теплопередачи или теплоотдачи. Радиаторы, например, изготавливаются из алюминия, меди или стали, поскольку они хорошо проводят тепло, т.е. имеют высокий коэффициент теплопроводности. Материалы с низким коэффициентом теплопроводности используются для изоляции, поскольку они лучше сохраняют тепло. Если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчете вычисляется теплопроводность каждого компонента «пирога» и полученные значения складываются вместе. Получается общая теплоизоляционная способность корпуса (стены, пол, крыша).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Существует также термин термическое сопротивление. Он указывает на способность материала препятствовать прохождению тепла через него. Другими словами, она противоположна теплопроводности. И если вы видите материал с высоким термическим сопротивлением, вы можете использовать его для теплоизоляции. Примерами изоляционных материалов являются популярные минеральная вата, базальтовая вата, пенополистирол и т.д. Для распространения тепла или теплопередачи требуются материалы с низким термическим сопротивлением. Радиаторы из алюминия или стали, например, используются для отопления, поскольку они хорошо проводят тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было тепло зимой и прохладно летом, теплопроводность стен, пола и потолка должна иметь как минимум определенное значение, которое рассчитывается для каждого участка. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с учетом того, чтобы общее количество было не меньше (а лучше — хотя бы чуть больше) рекомендованного для вашей местности.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов следует учитывать, что некоторые из них (не все) лучше проводят тепло при высокой влажности. Если такая ситуация может возникнуть в течение длительного периода времени, в расчеты включается теплопроводность для этой ситуации. Коэффициенты теплопроводности основных используемых теплоизоляционных материалов приведены в таблице ниже.

Тип материала Значения теплопроводности в Вт/(м-°C)
В сухом состоянии При нормальной влажности При высокой влажности
Шерстяной войлок 0,036-0,041 0,038-0,044 0,044-0,050
Каменная вата 25-50 кг/м3 0,036 0,042 0,,045
Каменная вата 40-60 кг/м3 0,035 0,041 0,044
Каменная вата 80-125 кг/м3 0,036 0,042 0,045
Каменная вата 140-175 кг/м3 0,037 0,043 0,0456
Каменная вата 180 кг/м3 0,038 0,045 0,048
Стекловата 15 кг/м3 0,046 0,049 0,055
Стекловата 17 кг/м3 0,044 0,047 0,053
Стекловата 20 кг/м3 0,04 0,043 0,048
Стекловата 30 кг/м3 0,04 0,042 0,046
Стекловата 35 кг/м3 0,039 0,041 0,046
Стекловата 45 кг/м3 0,039 0,041 0,045
Стекловата 60 кг/м3 0,038 0,040 0,045
Стекловата 75 кг/м3 0,04 0,042 0,047
Стекловата 85 кг/м3 0,044 0,046 0,050
Пенопласт (пенополистирол, EPS) 0,036-0,041 0,038-0,044 0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (EPS, XPS) 0,029 0,030 0,031
Пенобетон, легкий бетон на цементном растворе, 600 кг/м3 0,14 0,22 0,26
Пенобетон, легкий бетон на цементном растворе, 400 кг/м3 0,11 0,14 0,15
Пенобетон, легкий бетон на известковом растворе, 600 кг/м3 0,15 0,28 0,34
Пенобетон, легкий бетон на известковом растворе, 400 кг/м3 0,13 0,22 0,28
Пеностекло, дробленое, 100 — 150 кг/м3 0,043-0,06
Пеностекло, дробленое, 151 — 200 кг/м3 0,06-0,063
Пеностекло, дробленое, 201 — 250 кг/м3 0,066-0,073
Пеностекло, дробленое, 251 — 400 кг/м3 0,085-0,1
Пеноблоки 100 — 120 кг/м3 0,043-0,045
Пеноблок 121 — 170 кг/м3 0,05-0,062
Пеноблок 171 — 220 кг/м3 0,057-0,063
Пеноблок 221 — 270 кг/м3 0,073
Эковата 0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3 0,029 0,031 0,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3 0,035 0,036 0,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3 0,041 0,042 0,04
Пенополиэтилен со сшивкой 0,031-0,038
Вакуум
Воздух +27°C. 1 атм 0,026
Ксенон 0,0057
Аргон 0,0177
Аэрогели (аэрогели из осины) 0,014-0,021
Шлаковая вата 0,05
Вермикулит 0,064-0,074
Вспененная резина 0,033
Пробковые плиты 220 кг/м3 0,035
Пробковые плиты 260 кг/м3 0,05
Базальтовый мат, холст 0,03-0,04
Конопля 0,05
Перлит, 200 кг/м3 0,05
Перлит, вспученный, 100 кг/м3 0,06
Изоляционные плиты из льна, 250 кг/м3 0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3 0,052-0,145
Гранулированная пробка, 45 кг/м3 0,038
Минеральная пробка на основе битумной пробки, 270-350 кг/м3 0,076-0,096
Пробковый пол, 540 кг/м3 0,078
Техническая пробка, 50 кг/м3 0,037

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, полы и потолки могут быть выполнены из различных материалов, но теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с теплопроводностью кирпичной кладки. Все знакомы с этим материалом, и с ним легче создавать ассоциации. Наиболее популярными являются диаграммы, показывающие разницу между различными материалами. Одна из таких иллюстраций приведена в предыдущем абзаце, вторая — сравнение кирпичной и блочной стен — показана ниже. По этой причине теплоизоляционные материалы выбирают для кирпичных стен или других материалов с высокой теплопроводностью. Теплопроводность основных строительных материалов приведена в таблице ниже, чтобы помочь выбрать оптимальный материал.

Сравнивают самые разные материалы

Название материала, плотность Теплопроводность
в сухом состоянии при нормальной влажности при повышенной влажности
ЦПР (цементно-песчаный раствор) 0,58 0,76 0,93
Раствор из извести и песка 0,47 0,7 0,81
Гипсовая штукатурка 0,25
Пенобетон, легкий бетон с цементом, 600 кг/м3 0,14 0,22 0,26
Пенобетон, легкий бетон с цементом, 800 кг/м3 0,21 0,33 0,37
Пенобетон, легкий бетон с цементом, 1000 кг/м3 0,29 0,38 0,43
Пенобетон, легкий бетон с известью, 600 кг/м3 0,15 0,28 0,34
Пенобетон, легкий бетон на извести, 800 кг/м3 0,23 0,39 0,45
Пенобетон, легкий бетон на извести, 1000 кг/м3 0,31 0,48 0,55
Оконное стекло 0,76
Арболит 0,07-0,17
Бетон с натуральным камнем, 2400 кг/м3 1,51
Легкий бетон с натуральной пемзой, 500-1200 кг/м3 0,15-0,44
Бетон с гранулированным шлаком, 1200-1800 кг/м3 0,35-0,58
Бетон с котельным шлаком, 1400 кг/м3 0,56
Бетон со щебнем, 2200-2500 кг/м3 0,9-1,5
Бетон с топливным шлаком, 1000-1800 кг/м3 0,3-0,7
Аэрированный керамический блок 0,2
Вермикулитовый бетон, 300-800 кг/м3 0,08-0,21
Алюминитовый бетон, 500 кг/м3 0,14
Алюминитовый бетон, 600 кг/м3 0,16
Алюминитовый бетон, 800 кг/м3 0,21
Алюминиевый бетон, 1000 кг/м3 0,27
Алюминиевый бетон, 1200 кг/м3 0,36
Алюминиевый бетон, 1400 кг/м3 0,47
1600 кг/м3 Алюминитовый бетон, 1600 кг/м3 0,58
Алюминиевый бетон, 1800 кг/м3 0,66
Керамические кирпичи из керамзита 0,56 0,7 0,81
Кладка из пустотелых керамических блоков CBP, 1000 кг/м3) 0,35 0,47 0,52
Кладка из пустотелых керамических блоков (1 300 кг/м3) 0,41 0,52 0,58
Кладка из пустотелых керамических блоков в CPR, 1400 кг/м3) 0,47 0,58 0,64
Кладка силикатного кирпича в CVD, 1000 кг/м3) 0,7 0,76 0,87
Пустотелая кирпичная кладка с силикатным кирпичом в CPR, 11 пустот 0,64 0,7 0,81
Кладка из пустотелого кирпича с силикатным кирпичом в CPR, 14 пустот 0,52 0,64 0,76
Известняк 1400 кг/м3 0,49 0,56 0,58
Известняк 1+600 кг/м3 0,58 0,73 0,81
Известняк 1800 кг/м3 0,7 0,93 1,05
Известняк 2000 кг/м3 0,93 1,16 1,28
Строительный песок 1600 кг/м3 0,35
Гранит 3,49
Мрамор 2,91
Керамзит, щебень, 250 кг/м3 0,1 0,11 0,12
Керамзит, щебень, 300 кг/м3 0,108 0,12 0,13
Глина, щебень, 350 кг/м3 0,115-0,12 0,125 0,14
Глина, щебень, 400 кг/м3 0,12 0,13 0,145
Глина, щебень, 450 кг/м3 0,13 0,14 0,155
Глина, щебень, 500 кг/м3 0,14 0,15 0,165
Глина, щебень, 600 кг/м3 0,14 0,17 0,19
Керамзит, щебень, 800 кг/м3 0,18
Гипсокартон, 1100 кг/м3 0,35 0,50 0,56
Гипсокартон, 1350 кг/м3 0,23 0,35 0,41
Глина, 1600-2900 кг/м3 0,7-0,9
Гранулированная глина, 1800 кг/м3 1,4
Суглинистый, 200-800 кг/м3 0,1-0,18
Суглинок на кварцевом песке с пористостью, 800-1200 кг/м3 0,23-0,41
Глинобетон, 500-1800 кг/м3 0,16-0,66
Алюминитовый бетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3 0,22-0,28
Клинкерный кирпич, 1800-2000 кг/м3 0,8-0,16
Керамический облицовочный кирпич, 1800 кг/м3 0,93
Кладка средней плотности, 2000 кг/м3 1,35
Гипсокартон, 800 кг/м3 0,15 0,19 0,21
Гипсокартон, 1050 кг/м3 0,15 0,34 0,36
Клееная фанера 0,12 0,15 0,18
ДВП, ДСП, 200 кг/м3 0,06 0,07 0,08
Древесноволокнистые плиты, ДСП, 400 кг/м3 0,08 0,11 0,13
Древесноволокнистые плиты, ДСП, 600 кг/м3 0,11 0,13 0,16
Древесноволокнистые плиты, ДСП, 800 кг/м3 0,13 0,19 0,23
Древесноволокнистые плиты, древесностружечные плиты, 1000 кг/м3 0,15 0,23 0,29
ПВХ-линолеум на изоляционной подложке, 1600 кг/м3 0,33
ПВХ линолеум Изоляционный линолеум, 1800 кг/м3 0,38
ПВХ линолеум с текстильной подложкой, 1400 кг/м3 0,2 0,29 0,29
Линолеум из ПВХ с текстильной основой, 1600 кг/м3 0,29 0,35 0,35
Линолеум из ПВХ ткани, 1800 кг/м3 0,35
Плоские плиты из асбестоцемента, 1600-1800 кг/м3 0,23-0,35
Ковры, 630 кг/м3 0,2
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3 0,16
Полистиролбетон, 200-500 кг/м3 0,075-0,085
Кокосовое волокно, 1000-1800 кг/м3 0,27-0,63
Стекловолокно, 1800 кг/м3 0,23
Бетонные плиты, 2100 кг/м3 1,1
Керамическая плитка, 1900 кг/м3 0,85
ПВХ черепица, 2000 кг/м3 0,85
Известковый раствор, 1600 кг/м3 0,7
Цементно-песчаная штукатурка, 1800 кг/м3 1,2
Читать еще:  Как крепить пластиковые панели к потолку – инструкция по монтажу. Как крепить пластиковые панели к потолку?

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность теплопроводности, т.е. в данной модели изменение температуры в одной точке сразу передается всему телу. Закон Фурье не применим к высокочастотным процессам (и, следовательно, не применим к процессам, разложение Фурье которых имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т.д. Инерция была впервые введена в уравнения переноса Максвеллом3, а в 1948 году Каттанео предложил вариант закона Фурье с членом релаксации: 4

<\partial t>=-\left(\mathbf+\varkappa\,\nabla T\right).» width=»» height=»» />

Если время релаксации

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Материал Теплопроводность, Вт/(м-К)
График (4840±440) — (5300±480)
Алмаз 1001-2600
Графит 278,4-2435
карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 382-390
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202-236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97-111
Хром 93,7
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь 47
Кварц 8
Стекло 1-1,15
КПТ-8 0,7
Водав нормальных условиях 0,6
Строительный кирпич 0,2-0,7
Силиконовое масло 0,16
Вспененный бетон 0,14-0,3
Дерево 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10-0,15
Хлопковая шерсть 0,055
Воздух (300 К, 100 кПа) 0,026
Пустота (абсолютная) 0 (строгий)
Материал Теплопроводность, Вт/(м-К)
Кальций 201
Бериллий 201
Вольфрам 173
Магний 156
Родий 150
Иридиум 147
Молибден 138
Рутений 117
Хром 93,9
Осмий 87,6
Титан 21,9
Тефлон 0,25
Бумага 0,14
Полистирол 0,082
Шерсть 0,05
Минеральная вата 0,045
Пенополистирол 0,04
Стекловата 0,036
Пробковое дерево 0,035
Пенопластовая изоляция 0,035
Вспененная резина 0,03
Аргон 0,0177
Воздушный гель 0,017
Ксенон 0,0057

На практике необходимо также учитывать теплопроводность за счет конвекции молекул и проникновение излучения. Например, если вакуум полностью теплоизолирован, тепло может передаваться излучением (пример: солнце, инфракрасные излучатели). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример — фен, тепловентилятор). Кроме того, в конденсированных средах фононы могут «перепрыгивать» из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, способствуя распространению звуковых волн и тепла, даже если зазоры представляют собой идеальные пустоты.

Примечания

  1. ↑ Естествознание. Энциклопедический словарь. Закон Фурье.
  2. ↑ Исследование теплопроводности газов. // Методические указания.
  3. ↑ J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
  4. ↑ C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.
  • Термодинамика
  • Явления переноса
  • Теплопередача

Теплопроводность строительных материалов: какой материал самый энергоэффективный

Основной тенденцией современного строительства является возведение домов с максимальной энергоэффективностью. То есть с возможностью создания и поддержания комфортных условий проживания при минимальных затратах энергии. Понятно, что многие наши строители, возводящие собственные дома, далеки от таких показателей, но стремиться к ним всегда нужно.

Теплопроводность строительных материалов

Прежде всего, речь идет о минимизации потерь тепла через конструкцию здания. Этого можно достичь с помощью эффективной теплоизоляции, основанной на теплотехнических расчетах. В идеале планированием должны заниматься профессионалы, но обстоятельства часто вынуждают домовладельцев брать эти вопросы в свои руки. Это означает, что базовое понимание основных понятий строительной теплотехники является обязательным. Прежде всего, что такое теплопроводность строительных материалов, как она измеряется и как рассчитывается?

Зная все эти «основы», вам будет легче всерьез заняться утеплением своего дома, если вы будете знать факты, а не полагаться на собственные желания.

Что такое теплопроводность, какими единицами измерения она описывается?

Фактически, все физические тела, жидкости или газы, обладают способностью передавать тепло. Другими словами: Когда объект нагревается с одной стороны, он становится проводником тепла, нагревается и отдает тепловую энергию. То же самое происходит при охлаждении, только с противоположным знаком».

Даже на уровне простого домашнего хозяйства каждому ясно, что эта способность выражена в очень разной степени в разных материалах. Например, одно дело — помешивать готовящуюся еду на кухне деревянной лопаткой, а другое — использовать металлическую ложку, которая почти сразу становится настолько горячей, что ее уже невозможно удержать в руке. Этот пример наглядно показывает, что теплопроводность металла во много раз выше, чем у дерева.

Читать еще:  Почему гудят водопроводные трубы? Четыре возможных неисправности и их устранение. Почему гудят трубы водопроводные в квартире?

«Практическое применение» огромной разницы в теплопроводности материалов – пробка, подсунутая под скобу металлической крышки кастрюли. Снять такую крышку с кипящей на плите посуды можно голыми пальцами, не опасаясь ожога.

И таких примеров множество, буквально на каждом уровне. Например, прикоснитесь рукой к обычной деревянной двери в комнате, к которой прикручена металлическая ручка. Вы можете почувствовать это — ручка стала холоднее. Но этого не может быть — все предметы в комнате имеют примерно одинаковую температуру. Просто металл ручки быстрее поглощает тепло тела, поэтому она кажется более холодной.

Коэффициент теплопроводности материала

Главный редактор сайта Stroyday.ru. Инженер.

Существует специальная единица, которая идентифицирует каждый материал как проводник тепла. Он называется коэффициентом теплопроводности, обычно обозначается греческой буквой λ и измеряется в Вт/(м×℃) (во многих формулах вместо градусов Цельсия ℃ указывается Кельвин, К, но это не меняет сути дела).

Этот коэффициент указывает на способность материала передавать определенное количество тепла на определенное расстояние за единицу времени. Причем коэффициент зависит от материала, т.е. без привязки к каким-либо размерам.

Такие коэффициенты рассчитываются практически для всех конструкционных и других материалов. В этой публикации вы найдете таблицы для различных групп — раствор, бетон, кирпич и кладка, изоляционные материалы, дерево, металлы и т.д. Достаточно беглого взгляда на них, чтобы понять, насколько разными могут быть эти соотношения.

Производители строительных материалов для конкретного применения часто указывают коэффициент теплопроводности в своих спецификациях.

Материалы с высокой проводимостью, например, металлы, часто используются в качестве теплоотводов или теплообменников. Классический пример — радиаторы, которые тем эффективнее, чем лучше их стенки передают тепло среды.

Однако для большинства строительных материалов ситуация обратная. Другими словами, чем ниже коэффициент теплопроводности материала, из которого сделана обычная стена, тем меньше тепла теряет здание с наступлением холодов. Или чем меньше может быть толщина стенки при тех же значениях теплопроводности.

Для чего используются такие расчеты в практическом приложении?

Оценка эффективности имеющейся термоизоляции

Почему необходимо рассчитывать теплопроводность, каково ее практическое применение?

С помощью таких расчетов можно очень точно оценить теплоизоляцию вашего дома.

Для различных климатических регионов России так называемые нормативные значения этого термического сопротивления рассчитываются экспертами отдельно для стен, полов и потолков. Это означает, что если сопротивление конструкции соответствует этому стандарту, то вы можете быть спокойны за изоляцию.

Значение этих стандартных величин сопротивления для различных строительных конструкций можно определить с помощью предлагаемой таблицы.

Карта-схема территории России для определения нормированных значений сопротивлений теплопередаче.

В противном случае необходимо принять меры по усилению изоляции, чтобы минимизировать потери тепла. И таким образом решить обратную задачу. Это означает, что вы используете ту же формулу (сопротивление по коэффициенту теплопроводности и толщине) для определения толщины изоляции, которая обычно компенсирует существующий дефицит.

Термоизоляционную конструкцию сразу следует делать с опорой на проведенные теплотехнические расчеты.

Если теплоизоляции еще нет, то все достаточно просто. Далее необходимо определить, какой слой выбранного изоляционного материала будет работать при стандартном значении сопротивления теплопередаче.

Определение уровня тепловых потерь

Другой важной задачей является определение величины потерь тепла через ограждающие конструкции здания. Такие расчеты могут понадобиться, например, при определении требуемой производительности системы отопления. Как для каждого помещения — для правильного размещения радиаторов (отопительных приборов), так и в целом — для выбора оптимальной модели котла.

Каждая конструкция характеризуется своим уровнем тепловых потерь, которые необходимо определять и для правильного планирования системы отопления, и для совершенствования системы термоизоляции.

На самом деле это сопротивление описывается другой формулой, которая уже вытекает из разницы температур и количества тепла, уходящего через один квадратный метр ограждающей конструкции здания.

R = D t / q

Δ t — разница температур между двумя сторонами конструкции, ℃.

q — удельное количество теряемого тепла, Вт.

Это означает, что если известна площадь поверхности ограждающей конструкции здания и ее термическое сопротивление (определяемое, например, толщиной и теплопроводностью), если известны условия, для которых выполняется расчет (например, нормальная температура в помещении и самый сильный мороз в данной местности), то можно предсказать и потери тепла через здание.

Q = S × D t/ R

Q — потери тепла через ограждающие конструкции здания, Вт.

Методы определения КТП

Существует 2 метода определения QTP:

  1. Стационарный – предполагает работу с параметрами, которые не будут изменяться в течение длительного времени или изменяющиеся незначительно. Преимущество этого метода в высокой точности вычисления результата. К недостаткам относится сложность регулировки эксперимента, большое количество используемых термопар, а также длительность затраченного времени на подготовку и проведение опыта. Этот метод подходит для вычисления КТП жидкостей и газов, если не учитывать передачу энергии конвекцией и излучением.
  2. Нестационарный – визуально выглядит более простой и требует для выполнения от 10 до 30 минут. Нашла своё широкое применение из-за того, что в процессе исследования можно узнать не только КТП, но и температурную проводимость, а также теплоёмкость образца.

Для анализа теплопроводности строительных материалов используются электронные приборы, например, ITP-MG4 «Probe». Эти инструменты для расчета QTP различаются по диапазону рабочих температур и коэффициенту ошибок.

Таблица тепловой эффективности материалов

Для большинства сырьевых материалов, используемых в строительстве, нет необходимости измерять само КТП. Для этого существует таблица теплопроводности материалов, которая содержит основные характеристики для расчета тепловых характеристик.

Материал Плотность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/(м*дег) Теплоемкость, Дж/(кг*градус)
Армированный бетон 2500 1,7 840
Бетон на балласте или щебне 2400 1,51 840
Легкий вспученный бетон, изготовленный из легкой глины 500-1200 1,19-0,45 840
Строительный кирпич 800-1500 0,24-0,3 800
Силикатный кирпич 1000-2200 0,51-1,29 750-840
Железо 7870 70-80 450
Пенополистирол Пенопласт 110-140 0,042-0,05 1600
Панели из минеральной ваты 150-250 0,043-0,063

Большинство материалов различаются по своему составу. Например, теплопроводность кирпича зависит от материала, из которого он изготовлен. Клинкерный кирпич имеет теплопроводность от 0,8 до 1,6, а силикатный кирпич — 0,15. Существуют также различия в зависимости от метода строительства и ГОСТов.

пенополистирол

Коротко о главном

Коэффициент теплопроводности — это скорость передачи тепла через материал за определенный период времени.

Знание КТП необходимо для улучшения теплотехнических характеристик конструкции. Например, если он должен быстро отводить тепло, его следует изготавливать из сырья с высокой энергопередачей, а для закрытых помещений требуется дополнительная изоляция. Это помогает экономить деньги на отоплении.

Теплопроводность материала зависит от его плотности, влажности и содержания волокон.

Оцените статью