Коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности устанавливает физические параметры вещества, и описывает его способность проводить теплоту. Коэффициент теплопроводности находим по формуле:

.

Численно коэффициент теплопроводности диагностируется количеством теплоты, проходящим в единицу времени через единицу изотермической поверхности при соблюдении требования gradt=1.

Его размерность Вт/(м·К). Величину указанного параметра для разнообразных материалов находим из справочных таблиц, сформированных на данных полученных эмпирически.

У подавляющего числа веществ взаимозависимость коэффициента теплопроводности и температуры демонстрирует линейная функция:

,

где λ0 — значение коэффициента теплопроводности при t0=00С;

b — постоянная, определяемая эмпирически.

Газы — самые плохие проводники тепла. Их коэффициент теплопроводности прогрессирует с возрастанием температуры и представлен в границах от 0,006 до 0,6 Вт/(м·К). Рекордсменами выступают гелий и водород, коэффициент теплопроводности у них в 5 — 10 раз выше, чем у прочих газов.

Для жидкости λ колеблется от0,07 до 0,7 Вт/(м·К).

Металлы – лучшие проводники тепла, у них λ=20÷418 Вт/(м·К). Максимальная теплопроводность свойственна серебру.

Материалы с λ < 0,25 Вт/(м·К), принято обозначать как теплоизоляционные, обычно к ним обращаются, когда требуется выполнить теплоизоляцию.

Применение теплопроводности

Для жарки мяса, например котлет или мясных брикетов для гамбургеров, нужна высокая теплопроводность. Для этого их иногда жарят прямо на металлической решетке с небольшим добавлением масла, чтобы они не пригорели.

Теплопроводность на кухне

Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы, так их теплопроводность и прочность выше, чем у другимх материалов. Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается еде. Иногда бывает необходимо уменьшить теплопроводность — в этом случае используют кастрюли из материалов с более низкой теплопроводностью, или готовят способами, при которых еде передается меньшее количество тепла. Приготовление блюд на водяной бане — один из примеров уменьшения теплопроводности. Обычно в кастрюлю на огне наливают в воду, в которую ставят вторую кастрюлю с едой. Температура здесь регулируется благодаря более низкой теплопроводности воды и вследствие того, что температура нагревания внутренней кастрюли не превышает температуры кипения воды, то есть 100° C (212° F). Такой способ часто применяют с продуктами, которые легко пригорают или которые нельзя кипятить, например шоколад.

Посуда из меди

Металлы, которые очень хорошо проводят тепло — медь и алюминий. Медь более теплопроводна, но и стоит дороже. Из обоих металлов делают кастрюли, но некоторая еда, особенно кислая, реагирует с этими металлами, и у еды появляется металлический привкус. За такими кастрюлями, особенно за медными, необходим тщательный уход, поэтому на кухне чаще используют более дешевые и удобные в обращении и уходе кастрюли из нержавеющей стали.

Японское блюдо дория, запеченное в духовке в керамической посуде.

Потребности в теплопроводности зависят от способа приготовления пищи и от вкуса и консистенции, которой хочет добиться повар. Например, при варке обычно нужна более низкая теплопроводность, чем при жарке. Теплопроводность регулируют, выбирая разную посуду, а также используя продукты с большим или меньшим содержанием жидкости. Например, количество масла на дне кастрюли или сковородки влияет на теплопроводность, так же, как и общее количество жидкости в продукте.

Рагу из осьминога по-сицилийски, приготовленное в соусе. Для этого блюда теплопроводность посуды должна быть низкой, поэтому в его приготовлении используется много жидкости.

Для посуды, предназначенной для приготовления пищи, не всегда используют материалы с высокой теплопроводностью. В духовом шкафу, например, часто используют керамическую посуду, теплопроводность которой намного ниже, чем у металлической посуды. Их самое главное преимущество — способность держать температуру.

Некоторые повара предпочитают готовить заварной крем на водяной бане, чтобы уменьшить теплопередачу от нагревателя к продуктам.

Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне — плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке.

Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью.

Материалы с невысокой теплопроводностью также используют для поддержания температуры еды неизменной. Так, например, чтобы утренний кофе или суп, который берут в путешествие или на обед на работу, оставался горячим, его наливают в термос, чашку или банку с хорошей теплоизоляцией. Чаще всего в них еда остается горячей (или холодной) благодаря тому, что между их стенками находится материал, плохо проводящий тепло. Это может быть пенопласт или воздух, который находится в закрытом пространстве между стенками сосуда. Он не дает теплу перейти в окружающую среду, еде — остыть, а рукам — получить ожог. Пенопласт используют также для стаканчиков и контейнеров для еды навынос. В вакуумном сосуде Дьюара (известном как «термос», по названию торговой марки) между наружной и внутренней стенкой почти нет воздуха — это еще больше уменьшает теплопроводность.

Теплопроводность для тепла

Мы используем материалы с низкой теплопроводностью для поддержания постоянной температуры тела. Примеры таких материалов — шерсть, пух, и синтетическая шерсть. Кожа животных покрыта мехом, а птиц — пухом с низкой теплопроводностью, и мы заимствуем эти материалы у животных или создаем похожие на них синтетические ткани, и делаем из них одежду и обувь, которые защищают нас от холода. Кроме этого мы делаем одеяла, так как спать под ними удобнее, чем в одежде. К тому же, температура тела во время сна падает, и нам нужна дополнительная теплоизоляция. Иногда одеяла бывает недостаточно, так как оно не прикреплено к простыням, и через щели, которые образуются, когда мы переворачиваемся во сне, может выйти тепло и просочиться холодный воздух.

Ледяной подсвечник

Воздух имеет низкую теплопроводность, но проблема с холодным воздухом в том, что обычно он может свободно двигаться в любом направлении. Он вытесняет теплый воздух вокруг нас, и нам становится холодно. Если движение воздуха ограничить, например, заключив его между внешней и внутренней стенками сосуда, то он обеспечивает хорошую термоизоляцию. Животные используют воздух, чтобы улучшить теплоизоляцию своего тела. Например, птицы сидят нахохлившись в холодную погоду, чтобы добавить слой воздуха внутри оперения. Этот воздух почти не движется, поэтому хорошо изолирует от холода. У нас тоже сохранился этот механизм — если нам холодно, то у нас возникает «гусиная кожа». Если бы в процессе эволюции мы не потеряли свою шерсть, то такое «нахохливание» помогало бы нам согреться.

У снега низкая теплопроводность, поэтому он обеспечивает хорошую изоляцию

У снега и льда тоже низкая теплопроводность, поэтому люди, животные и растения используют их для теплоизоляции. В свежем не утрамбованном снеге внутри находится воздух, что еще больше уменьшает его теплопроводность, особенно потому, что теплопроводность воздуха ниже теплопроводности снега. Благодаря этим свойствам, ледяной и снежный покров защищает растения от замерзания. Животные роют ямки и целые пещеры для зимовья в снегу. Путешественники, переходящие через заснеженные районы, иногда роют подобные пещеры, чтобы в них переночевать. С древнейших времен люди строили убежища изо льда, а сейчас создают целые развлекательные центры и гостиницы. В них часто горит огонь, и люди спят в мехах и синтетических спальных мешках. Постояльцы рассказывают, что всю ночь им было очень тепло и уютно, хотя не рекомендуют вставать среди ночи в туалет. Благодаря низкой теплопроводности льда из него иногда делают подсвечники, и в Интернете можно найти множество мастер-классов по их изготовлению.

Поддержание температуры тела людей и животных

Нормальная температура белохвостового оленя — от 311,4K до 313,3K или от 38,2°C до 40,1°C, несмотря на то, что температура воздуха в их среде обитания варьирует от –38 до +34°С. Белохвостый олень, Миссиссога, Онтарио.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности в организме людей и животных необходимо поддерживать определенную температуру в очень узких пределах. У крови и других жидкостей, а также у тканей разная теплопроводность и ее можно регулировать в зависимости от потребностей и окружающей температуры. Так, например, организм может изменить количество крови на участке тела или во всем организме с помощью расширения или сужения сосудов. Наше тело также может сгущать и разжижать кровь. При этом теплопроводность крови, а, следовательно, и части тела, где эта кровь течет, изменяется.

Другие применения

Многие любят отдыхать в саунах или банях, но сидеть там на скамейках из материала с высокой теплопроводностью — было бы невозможно. Требуется много времени, чтобы сравнять температуру таких материалов с температурой тела, поэтому вместо них используют материалы с низкой теплопроводностью, например дерево, верхние слои которого намного быстрее принимают температуру тела. Так как в сауне температура поднимается достаточно высоко, люди часто надевают на голову шапочки из шерсти или войлока, чтобы защитить голову от жары. В турецких банях хамамах температура намного ниже, поэтому там для скамеек используют материал с более высокой теплопроводностью — камень.

Эти макаки очень любят зимой купаться в Японских горячих источниках

Некоторые места для купания, например горячие источники онсэн в Японии — на улице. Тело человека хорошо изолировано жиром, у которого низкая теплопроводность, поэтому люди могут расслабиться и насладиться горячей ванной даже если на улице — мороз. Люди — не единственные существа, оценившие по достоинству эту особенность организма. Макаки тоже очень любят купаться в горячих источниках зимой.

Теплопроводность некоторых материалов

Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К
Пенополиуретановые листы 0,04
Пенополистирол 0,04
Вата минеральная 0,05
Войлок натуральный 0,05
Древесина — доски 0,15
Древесно-стружечная плита 0,20
Гипс строительный 0,35
Вода при 20° C 0,60
Кирпич керамический 0,67
Камень 1,40
Бетон 1,75
Сталь 52
Латунь 110
Алюминий 230
Медь 380
Серебро 406
Алмаз 1 000

Литература

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50.13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Понятие теплопроводности на практике

Теплопроводность учитывается на этапе проектирования здания. При этом берется во внимание способность материалов удерживать тепло. Благодаря их правильному подбору жильцам внутри помещения всегда будет комфортно. Во время эксплуатации будут существенно экономиться денежные средства на отопление.

Утепление на стадии проектирования является оптимальным, но не единственным решением. Не составляет трудности утеплить уже готовое здание путем проведения внутренних или наружных работ. Толщина слоя изоляции будет зависеть от выбранных материалов. Отдельные из них (к примеру, дерево, пенобетон) могут в некоторых случаях использоваться без дополнительного слоя термоизоляции. Главное, чтобы их толщина превышала 50 сантиметров.

Особенное внимание следует уделить утеплению кровли, оконных и дверных проемов, пола. Сквозь эти элементы уходит больше всего тепла. Зрительно это можно увидеть на фотографии в начале статьи.

Конструкционные материалы и их показатели

Для строительства зданий используют материалы с низким коэффициентом теплопроводности. Наиболее популярными являются:

  • Железобетон, значение теплопроводности которого составляет 1,68Вт/м*К. Плотность материала достигает 2400-2500 кг/м 3 .
  • Древесина, издревле использующаяся как строительный материал. Ее плотность и теплопроводность в зависимости от породы составляют 150-2100 кг/м 3 и 0,2-0,23Вт/м*К соответственно.

Еще один популярный строительный материал — кирпич. В зависимости от состава он обладает следующими показателями:

  • саманный (изготовленный из глины): 0,1-0,4 Вт/м*К;
  • керамический (изготовленный методом обжига): 0,35-0,81 Вт/м*К;
  • силикатный (из песка с добавлением извести): 0,82-0,88 Вт/м*К.

Материалы из бетона с добавлением пористых заполнителей

Коэффициент теплопроводности материала позволяет использовать последний для постройки гаражей, сараев, летних домиков, бань и других сооружений. В данную группу можно отнести:

  • Керамзитобетон, показатели которого зависят от его вида. Полнотелые блоки не имеют пустот и отверстий. С пустотами внутри изготавливают пустотелые блоки, которые менее прочные, нежели первый вариант. Во втором случае теплопроводность будет ниже. Если рассматривать общие цифры, то составляет 500-1800кг/м3. Его показатель находится в интервале 0,14-0,65Вт/м*К.
  • Газобетон, внутри которого образуются поры размером 1-3 миллиметра. Такая структура определяет плотность материала (300-800кг/м 3). За счет этого коэффициент достигает 0,1-0,3 Вт/м*К.

Показатели теплоизоляционных материалов

Коэффициент теплопроводности наиболее популярных в наше время:

  • пенополистирол, плотность которого такая же, как и у предыдущего материала. Но при этом коэффициент передачи тепла находится на уровне 0,029-0,036Вт/м*К;
  • стекловата. Характеризуется коэффициентом, равным 0,038-0,045Вт/м*К;
  • с показателем 0,035-0,042Вт/м*К.
  • Понятие теплопроводности
  • Теплопроводность при строительстве

Строительство любого дома, будь то коттедж или скромный дачный домик, должно начинаться с разработки проекта. На этом этапе закладывается не только архитектурный облик будущего строения, но и его конструктивные и теплотехнические характеристики.

Иржи Зак, Станислав Стастник Институт технологии строительных материалов и компонентов, Технологический университет Брно, факультет гражданского строительства, Брно, Чешская Республика. Нестационарное измерительное оборудование означает прогресс в методах простого, надежного и быстрого определения теплопроводности строительных материалов. В настоящем документе описывается новый метод определения коэффициента теплопроводности строительных материалов, включая все задействованные процедуры, и оценивается преимущества, связанные с использованием этого метода.

Основной задачей на этапе проекта будет не только разработка прочных и долговечных конструктивных решений, способных поддерживать наиболее комфортный микроклимат с минимальными затратами. Помочь определиться с выбором может сравнительная таблица теплопроводности материалов.

Понятие теплопроводности

В общих чертах процесс теплопроводности характеризуется передачей тепловой энергии от более нагретых частиц твердого тела к менее нагретым. Процесс будет идти до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие. Другими словами, пока не сравняются температуры.

Коэффициент теплопроводности является наиболее важным теплотехническим свойством строительных материалов — он характеризует способность материалов проводить тепловую энергию. На практике используются две группы методов испытаний для измерения теплопроводности как свойства материалов.

Принцип плоского источника тепла

Эти методы достаточно точны, но они отнимают много времени, и применение этого метода возможно только в случае образцов с точно определенными размерами, и они очень требовательны к подготовке образца. Нестационарные методы — ударные методы с использованием вторичных измерительных приборов. Стационарные методы. . Для расчетов теплопередачи от плоского источника тепла мы исходим из приложения фундаментального уравнения Фурье для теплопроводности в виде.

Применительно к ограждающим конструкциям дома (стены, пол, потолок, крыша) процесс теплопередачи будет определяться временем, в течение которого температура внутри помещения сравняется с температурой окружающей среды.

Чем более продолжителен по времени будет этот процесс, тем помещение будет более комфортным по ощущениям и экономичным по эксплуатационным расходам.

Принцип нестационарного плоского измерительного оборудования

Зонд нестационарного измерительного прибора образует полуограниченную область с известными параметрами и термически чувствительную границу с плоским источником тепла на ее поверхности. В принципе этот метод основан на ударном «методе горячей проволоки», но в отличие от этого метода заменяет линейный источник тепла плоским источником тепла, который гарантирует приближение измеренной величины по всей поверхности испытательного зонда и исключает возможный эффект локальных неоднородностей материала.

Численно процесс переноса тепла характеризуется коэффициентом теплопроводности. Физический смысл коэффициента показывает, какое количество тепла за единицу времени проходит через единицу поверхности. Т.е. чем выше значение этого показателя, тем лучше проводится тепло, значит, тем быстрее будет происходить процесс теплообмена.

Температура находится на измеренной границе, контролируемой с помощью контрольной термопары. Измеренные значения здесь хранятся и оцениваются. Выход источника тепла контролируется с помощью программного обеспечения для обеспечения оптимальной тепловой защиты на границе между зондом и испытанным материалом по теплотехническим параметрам испытуемого образца.

При оценке результатов измерений коэффициента теплопроводности нестационарным плоским измерительным оборудованием с использованием сравнительного метода мы обычно предполагаем сходство температурного курса при регулярном нагревании материалов. Следующий график формулирует типичный температурный курс при регулярном нагревании.

Соответственно, на этапе проектных работ необходимо спроектировать конструкции, теплопроводность которых должна иметь по возможности наименьшее значение.

Теплопроводность — процесс обмена тепловой энергией, который происходит за счет столкновения мельчайших частиц тела. Причем этот процесс не прекратится, пока не наступит момент равновесия температур. На это уходит определенный промежуток времени. Чем больше времени затрачивается на тепловой обмен, тем ниже показатель теплопроводности.

Данный показатель выражают как коэффициент теплопроводности материалов. Таблица содержит уже измеренные значения для большинства материалов. Расчет производится по количеству тепловой энергии, прошедшей сквозь заданную площадь поверхности материала. Чем больше вычисленное значение, тем быстрее объект отдаст все свое тепло.

Практическое применение значения теплопроводности строительных материалов

Из понятия теплопроводности напрямую вытекает понятие толщины слоя материала для получения необходимого значения сопротивления теплового потока. Тепловое сопротивление – нормируемая величина.

Материалы из минеральных волокон, Изоляционные материалы на природном основании, Огнестойкая теплоизоляционная керамика, Изоляционные материалы на клеточном гипсовом ангидритовом основании, Строительная керамика, Теплоизоляционные растворы и штукатурные смеси и т.д. Наиболее важным является использование плоского измерительного оборудования в специальных применениях, где можно в полной мере применять его особые благоприятные свойства.

Определение теплопроводности в зависимости от влажности

Влага в пористой структуре строительных материалов оказывает основное влияние на величину коэффициента теплопроводности. Проблема большинства лабораторных методов определения коэффициента теплопроводности — очень длительный период измерения, при котором испытуемый образец подвергается воздействию теплового потока. Даже в том случае, если испытуемый образец упакован в паронепроницаемую пленку в течение периода измерения, происходит новое распределение влаги в структуре материала, и конечное измеренное значение не делает достаточно объективно реальные свойства материала при данной влажности содержание.

Упрощенная формула, определяющая толщину слоя, будет иметь вид:

где, H – толщина слоя, м;

R – сопротивление теплопередаче, (м2*°С)/Вт;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м*°С).

Данная формула применительно к стене или перекрытию имеет следующие допущения:

Определение коэффициента теплопроводности увлажняющих связующих смесей

Другим типичным применением плоского измерительного оборудования является определение коэффициента теплопроводности увлажняющих связующих смесей. Во время гидратации происходят значительные изменения значения теплопроводности гидратирующего материала. Эти изменения частично вызваны превращением несвязанной водяной воды в структуру вновь образованных продуктов гидратации, а также развитием и изменением внутренней микроструктуры материалов.

Гидратация испытуемого образца происходит в изолирующем термокамере, чтобы изолировать данную систему, по крайней мере, частично от внешней среды, во-первых, от резких изменений внешней температуры. Испытуемый образец упаковывали в тонкую полиэтиленовую фольгу, чтобы предотвратить испарение воды в партии во время измерения и отделить испытательный зонд от агрессивного материала связующего. Во время измерения необходимо было выполнить два следующих условия.

  • ограждающая конструкция имеет однородное монолитное строение;
  • используемые стройматериалы имеют естественную влажность.

При проектировании необходимые нормируемые и справочные данные берутся из нормативной документации:

  • СНиП23-01-99 – Строительная климатология;
  • СНиП 23-02-2003 – Тепловая защита зданий;
  • СП 23-101-2004 – Проектирование тепловой защиты зданий.

Изменение температуры от измерительного зонда не должно влиять на ход гидратации цементной смеси. Цементная смесь должна находиться в неподвижном температурном состоянии в течение всего времени измерения. Очевидно, что во время гидратации связующего происходит существенное изменение значения коэффициента теплопроводности. Более пристальное рассмотрение курса кривой коэффициента теплопроводности, очевидно, показывает, что на начальном этапе гидратация имитирует с определенной фазовой задержкой интенсивность курса гидратация тепловыделения.