г. Нижний Новгород, ул. Зайцева, д. 31

413-19-81
413-66-50

[email protected]

Теплопроводность что это такое


Теплопроводность и коэффициент теплопроводности. Что это такое.

Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Можно сказать проще, теплопроводность – это  способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой. Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем “абстрактный дом”. В “абстрактном доме” стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С. Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.

Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен  постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.

Коэффициент теплопроводности.

Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному – интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.

Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло. Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас  в качестве материалов для утепления зданий  наибольшее распространение получили утеплители из минеральной ваты, и различных пенопластов. Набирает популярность новый материал с улучшенными теплоизоляционными качествами – Неопор.

Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда)  и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2., то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии. Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур  стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт. Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть здесь.

Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.

В строительных нормах и расчетах часто используется понятие “тепловое сопротивление материала”. Это величина обратная теплопроводности.  Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см – 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.

Коэффициент теплопроводности материалов.

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

Материал Коэфф. тепл. Вт/(м2*К)
Алебастровые плиты 0,470
Алюминий 230,0
Асбест (шифер) 0,350
Асбест волокнистый 0,150
Асбестоцемент 1,760
Асбоцементные плиты 0,350
Асфальт 0,720
Асфальт в полах 0,800
Бакелит 0,230
Бетон на каменном щебне 1,300
Бетон на песке 0,700
Бетон пористый 1,400
Бетон сплошной 1,750
Бетон термоизоляционный 0,180
Битум 0,470
Бумага 0,140
Вата минеральная легкая 0,045
Вата минеральная тяжелая 0,055
Вата хлопковая 0,055
Вермикулитовые листы 0,100
Войлок шерстяной 0,045
Гипс строительный 0,350
Глинозем 2,330
Гравий (наполнитель) 0,930
Гранит, базальт 3,500
Грунт 10% воды 1,750
Грунт 20% воды 2,100
Грунт песчаный 1,160
Грунт сухой 0,400
Грунт утрамбованный 1,050
Гудрон 0,300
Древесина – доски 0,150
Древесина – фанера 0,150
Древесина твердых пород 0,200
Древесно-стружечная плита ДСП 0,200
Дюралюминий 160,0
Железобетон 1,700
Зола древесная 0,150
Известняк 1,700
Известь-песок раствор 0,870
Ипорка (вспененная смола) 0,038
Камень 1,400
Картон строительный многослойный 0,130
Каучук вспененный 0,030
Каучук натуральный 0,042
Каучук фторированный 0,055
Керамзитобетон 0,200
Кирпич кремнеземный 0,150
Кирпич пустотелый 0,440
Кирпич силикатный 0,810
Кирпич сплошной 0,670
Кирпич шлаковый 0,580
Кремнезистые плиты 0,070
Латунь 110,0
Лед 0°С 2,210
Лед -20°С 2,440
Липа, береза, клен, дуб (15% влажности) 0,150
Медь 380,0
Мипора 0,085
Опилки – засыпка 0,095
Опилки древесные сухие 0,065
ПВХ 0,190
Пенобетон 0,300
Пенопласт ПС-1 0,037
Пенопласт ПС-4 0,040
Пенопласт ПХВ-1 0,050
Пенопласт резопен ФРП 0,045
Пенополистирол ПС-Б 0,040
Пенополистирол ПС-БС 0,040
Пенополиуретановые листы 0,035
Пенополиуретановые панели 0,025
Пеностекло легкое 0,060
Пеностекло тяжелое 0,080
Пергамин 0,170
Перлит 0,050
Перлито-цементные плиты 0,080
Песок 0% влажности 0,330
Песок 10% влажности 0,970
Песок 20% влажности 1,330
Песчаник обожженный 1,500
Плитка облицовочная 1,050
Плитка термоизоляционная ПМТБ-2 0,036
Полистирол 0,082
Поролон 0,040
Портландцемент раствор 0,470
Пробковая плита 0,043
Пробковые листы легкие 0,035
Пробковые листы тяжелые 0,050
Резина 0,150
Рубероид 0,170
Сланец 2,100
Снег 1,500
Сосна обыкновенная, ель, пихта (450…550 кг/куб.м, 15% влажности) 0,150
Сосна смолистая (600…750 кг/куб.м, 15% влажности) 0,230
Сталь 52,0
Стекло 1,150
Стекловата 0,050
Стекловолокно 0,036
Стеклотекстолит 0,300
Стружки – набивка 0,120
Тефлон 0,250
Толь бумажный 0,230
Цементные плиты 1,920
Цемент-песок раствор 1,200
Чугун 56,0
Шлак гранулированный 0,150
Шлак котельный 0,290
Шлакобетон 0,600
Штукатурка сухая 0,210
Штукатурка цементная 0,900
Эбонит 0,160

www.econel.ru

Теплопроводность - это... Что такое Теплопроводность?

Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела ( атомами, молекулами, электронами и т.п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты, проходящей через материал площадью 1 кв.м за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте. Данная численная характеристика используется для расчета теплопроводности для калибрования и охлаждения профильных изделий.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

где  — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси,  — коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью),  — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad T (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.[1]

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

где  — полная мощность тепловых потерь,  — площадь сечения параллелепипеда,  — перепад температур граней,  — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).

Коэффициент теплопроводности вакуума

Коэффициент теплопроводности вакуума почти ноль (чем глубже вакуум, тем ближе к нулю). Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, тепло в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотери стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности с удельной электрической проводимостью в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

где  — постоянная Больцмана,  — заряд электрона.

Коэффициент теплопроводности газов

Коэффициент теплопроводности газов определяется формулой[2]

Где: i — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5, для одноатомного i=3), k — постоянная Больцмана, M — молярная масса, T — абсолютная температура, d — эффективный диаметр молекул, R — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из не радиоактивных газов - у ксенона).

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т.п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[3], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[4]

Если время релаксации пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Графен (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
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,14—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Вата 0,055
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,026
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример — Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример — фен, греющие вентиляторы). Так же в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепла, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

dic.academic.ru

Коэффициент теплопроводности материалов

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.  

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

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

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

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.

Наименование материалаКоэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
В сухом состоянииПри нормальной влажностиПри повышенной влажности
Войлок шерстяной0,036-0,0410,038-0,0440,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м30,0360,0420,,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м30,0350,0410,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м30,0360,0420,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м30,0370,0430,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м30,0380,0450,048
Стекловата 15 кг/м30,0460,0490,055
Стекловата 17 кг/м30,0440,0470,053
Стекловата 20 кг/м30,040,0430,048
Стекловата 30 кг/м30,040,0420,046
Стекловата 35 кг/м30,0390,0410,046
Стекловата 45 кг/м30,0390,0410,045
Стекловата 60 кг/м30,0380,0400,045
Стекловата 75 кг/м30,040,0420,047
Стекловата 85 кг/м30,0440,0460,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС)0,036-0,0410,038-0,0440,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)0,0290,0300,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м30,140,220,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м30,110,140,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м30,150,280,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м30,130,220,28
Пеностекло, крошка, 100 - 150 кг/м30,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 - 200 кг/м30,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 - 250 кг/м30,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 - 400 кг/м30,085-0,1
Пеноблок 100 - 120 кг/м3 0,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м30,05-0,062
Пеноблок 171 - 220 кг/м30,057-0,063
Пеноблок 221 - 270 кг/м30,073
Эковата0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м30,0290,0310,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м30,0350,0360,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м30,0410,0420,04
Пенополиэтилен сшитый0,031-0,038
Вакуум0
Воздух +27°C. 1 атм0,026
Ксенон0,0057
Аргон0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels)0,014-0,021
Шлаковата 0,05
Вермикулит0,064-0,074
Вспененный каучук0,033
Пробка листы 220 кг/м30,035
Пробка листы 260 кг/м30,05
Базальтовые маты, холсты0,03-0,04
Пакля0,05
Перлит, 200 кг/м30,05
Перлит вспученный, 100 кг/м30,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м30,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м30,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м30,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м30,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м30,078
Пробка техническая, 50 кг/м30,037

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.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Сравнивают самые разные материалы

Название материала, плотность Коэффициент теплопроводности
в сухом состояниипри нормальной влажностипри повышенной влажности
ЦПР (цементно-песчаный раствор)0,580,760,93
Известково-песчаный раствор 0,470,70,81
Гипсовая штукатурка0,25
Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м30,140,220,26
Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м30,210,330,37
Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м30,290,380,43
Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м30,150,280,34
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м30,230,390,45
Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м30,310,480,55
Оконное стекло0,76
Арболит 0,07-0,17
Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м31,51
Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м30,15-0,44
Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м30,35-0,58
Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м30,56
Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м30,9-1,5
Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м30,3-0,7
Керамическийй блок поризованный0,2
Вермикулитобетон, 300-800 кг/м30,08-0,21
Керамзитобетон, 500 кг/м30,14
Керамзитобетон, 600 кг/м30,16
Керамзитобетон, 800 кг/м30,21
Керамзитобетон, 1000 кг/м30,27
Керамзитобетон, 1200 кг/м30,36
Керамзитобетон, 1400 кг/м30,47
Керамзитобетон, 1600 кг/м30,58
Керамзитобетон, 1800 кг/м30,66
ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР0,560,70,81
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)0,350,470,52
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3)0,410,520,58
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3)0,470,580,64
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)0,70,760,87
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот0,640,70,81
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот0,520,640,76
Известняк 1400 кг/м30,490,560,58
Известняк 1+600 кг/м30,580,730,81
Известняк 1800 кг/м30,70,931,05
Известняк 2000 кг/м30,931,161,28
Песок строительный, 1600 кг/м30,35
Гранит3,49
Мрамор2,91
Керамзит, гравий, 250 кг/м30,10,110,12
Керамзит, гравий, 300 кг/м30,1080,120,13
Керамзит, гравий, 350 кг/м30,115-0,120,1250,14
Керамзит, гравий, 400 кг/м30,120,130,145
Керамзит, гравий, 450 кг/м30,130,140,155
Керамзит, гравий, 500 кг/м30,140,150,165
Керамзит, гравий, 600 кг/м30,140,170,19
Керамзит, гравий, 800 кг/м30,18
Гипсовые плиты, 1100 кг/м30,350,500,56
Гипсовые плиты, 1350 кг/м30,230,350,41
Глина, 1600-2900 кг/м30,7-0,9
Глина огнеупорная, 1800 кг/м31,4
Керамзит, 200-800 кг/м30,1-0,18
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м30,23-0,41
Керамзитобетон, 500-1800 кг/м30,16-0,66
Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м30,22-0,28
Кирпич клинкерный, 1800 - 2000 кг/м30,8-0,16
Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м30,93
Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м31,35
Листы гипсокартона, 800 кг/м30,150,190,21
Листы гипсокартона, 1050 кг/м30,150,340,36
Фанера клеенная0,120,150,18
ДВП, ДСП, 200 кг/м30,060,070,08
ДВП, ДСП, 400 кг/м30,080,110,13
ДВП, ДСП, 600 кг/м30,110,130,16
ДВП, ДСП, 800 кг/м30,130,190,23
ДВП, ДСП, 1000 кг/м30,150,230,29
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м30,33
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м30,38
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м30,20,290,29
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м30,290,350,35
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м30,35
Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м30,23-0,35
Ковровое покрытие, 630 кг/м30,2
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м30,16
Полистиролбетон, 200-500 кг/м30,075-0,085
Ракушечник, 1000-1800 кг/м30,27-0,63
Стеклопластик, 1800 кг/м30,23
Черепица бетонная, 2100 кг/м31,1
Черепица керамическая, 1900 кг/м30,85
Черепица ПВХ, 2000 кг/м30,85
Известковая штукатурка, 1600 кг/м30,7
Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м31,2

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

НаименованиеКоэффициент теплопроводности
В сухом состоянииПри нормальной влажностиПри повышенной влажности
Сосна, ель поперек волокон0,090,140,18
Сосна, ель вдоль волокон0,180,290,35
Дуб вдоль волокон0,230,350,41
Дуб поперек волокон0,100,180,23
Пробковое дерево0,035
Береза0,15
Кедр0,095
Каучук натуральный0,18
Клен0,19
Липа (15% влажности)0,15
Лиственница0,13
Опилки0,07-0,093
Пакля0,05
Паркет дубовый0,42
Паркет штучный0,23
Паркет щитовой0,17
Пихта0,1-0,26
Тополь0,17

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

НазваниеКоэффициент теплопроводности НазваниеКоэффициент теплопроводности
Бронза22-105Алюминий202-236
Медь282-390Латунь97-111
Серебро429Железо92
Олово67Сталь47
Золото318

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающихконструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

Формула расчета теплового сопротивления

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т.д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

  1. Для начала просчитаем тепловое сопротивление стены из кирпича. Полтора кирпича это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кладки из кирпича 0,56. Считаем по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Такое тепловое сопротивление имеет стена в 1,5  кирпича.
  2. Эту величину отнимаем от общего теплового сопротивления для региона: 3,5-0,68 = 2,82. Эту величину необходимо «добрать» теплоизоляцией и отделочными материалами.

    Рассчитывать придется все ограждающие конструкции

  3. Считаем толщину минеральной ваты. Ее коэффициент теплопроводности 0,045. Толщина слоя будет: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. То есть, чтобы обеспечить требуемый уровень утепления, толщина слоя минеральной ваты должна быть не меньше 13 см.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

stroychik.ru

Коэффициент теплопроводности строительных материалов: что это такое + таблица значений

Строительное дело предусматривает использование любых подходящих материалов. Главные критерии – безопасность для жизни и здоровья, тепловая проводимость, надёжность. Далее следуют, цена, свойства эстетичности, универсальность применения и т.д.

Рассмотрим одну из важнейших характеристик стройматериалов – коэффициент теплопроводности, так как именно от этого свойства во многом зависит, к примеру, уровень комфорта в доме.

Что такое КТП строительного материала?

Теоретически, да и практически тоже, строительными материалами, как правило, создаются две поверхности – наружная и внутренняя. С точки зрения физики, теплая область всегда стремится к холодной области.

Применительно к стройматериалу, тепло будет стремиться от одной поверхности (более теплой) к другой поверхности (менее теплой). Вот, собственно, способность материала относительно такого перехода и называется – коэффициентом теплопроводности или в аббревиатуре – КТП.

Схема, поясняющая эффект теплопроводности: 1 – тепловая энергия; 2 – коэффициент теплопроводности; 3 – температура первой поверхности; 4 – температура второй поверхности; 5 – толщина стройматериала

Характеристика КТП обычно строится на основе испытаний, когда берётся экспериментальный экземпляр размерами 100х100 см и к нему применяется тепловое воздействие с учётом разницы температур двух поверхностей в 1 градус. Время воздействия 1 час.

Соответственно, измеряется теплопроводность в Ваттах на метр на градус (Вт/м°C). Коэффициент обозначается греческим символом λ.

По умолчанию, теплопроводность различных материалов для строительства со значением меньше 0,175 Вт/м°C, приравнивает эти материалы к разряду изоляционных.

Современным производством освоены технологии изготовления стройматериалов, уровень КТП которых составляет меньше 0,05 Вт/м°C. Благодаря таким изделиям, удается достичь выраженного экономического эффекта в плане потребления энергетических ресурсов.

Влияние факторов на уровень теплопроводности

Каждый отдельно взятый стройматериал имеет определенное строение и обладает своеобразным физическим состоянием.

Основой этого являются:

  • размерность кристаллов структуры;
  • фазовое состояние вещества;
  • степень кристаллизации;
  • анизотропия теплопроводности кристаллов;
  • объем пористости и структуры;
  • направление теплового потока.

Все это – факторы влияния. Определенное влияние на уровень КТП также оказывает химический состав и примеси. Количество примесей, как показала практика, оказывает особенно выразительное влияние на уровень теплопроводности кристаллических компонентов.

Изоляционные стройматериалы – класс продуктов под строительство, созданных с учётом свойств КТП, приближенных к оптимальным свойствам. Однако достичь идеальной теплопроводности при сохранении других качеств, крайне сложно

В свою очередь влияние на КТП оказывают условия эксплуатации стройматериала – температура, давление, уровень влажности и др.

Стройматериалы с минимальным КТП

Согласно исследованиям, минимальным значением теплопроводности (около 0,023 Вт/м°C) обладает сухой воздух.

С точки зрения применения сухого воздуха в структуре строительного материала, необходима конструкция, где сухой воздух пребывает внутри замкнутых многочисленных пространств небольшого объёма. Конструктивно такая конфигурация представлена в образе многочисленных пор внутри структуры.

Отсюда логичный вывод: малым уровнем КТП должен обладать стройматериал, внутренняя структура которого представляет собой пористое образование.

Причём, в зависимости от максимально допустимой пористости материала, значение теплопроводности приближается к значению КТП сухого воздуха.

Созданию строительного материала с минимальной теплопроводностью способствует пористая структура. Чем больше содержится пор разного объема в структуре материала, тем лучший КТП допустимо получить

В современном производстве применяются несколько технологий для получения пористости строительного материала.

В частности, используются технологии:

  • пенообразования;
  • газообразования;
  • водозатворения;
  • вспучивания;
  • внедрения добавок;
  • создания волоконных каркасов.

Следует отметить: коэффициент теплопроводности напрямую связан с такими свойствами, как плотность, теплоемкость, температурная проводимость.

Значение теплопроводности может быть рассчитано по формуле:

λ = Q / S *(T1-T2)*t,

Где:

  • Q – количество тепла;
  • S – толщина материала;
  • T1, T2 – температура с двух сторон материала;
  • t – время.

Средняя величина плотности и теплопроводности обратно пропорциональна величине пористости. Поэтому, исходя из плотности структуры стройматериала, зависимость от нее теплопроводности можно рассчитать так:

λ = 1,16 √ 0,0196+0,22d2 – 0,16,

Где: d – значение плотности. Это формула В.П. Некрасова, демонстрирующая влияние плотности конкретного материала на значение его КТП.

Влияние влаги на теплопроводность стройматериала

Опять же судя по примерам использования стройматериалов на практике, выясняется негативное влияние влаги на КТП стройматериала. Замечено – чем большему увлажнению подвергается стройматериал, тем более высоким становится значение КТП.

Различными способами стремятся защитить от воздействия влаги материал, используемый в строительстве. Эта мера вполне оправдана, учитывая повышение коэффициента для мокрого стройматериала

Обосновать такой момент несложно. Воздействие влаги на структуру строительного материала сопровождается увлажнением воздуха в порах и частичным замещением воздушной среды.

Учитывая, что параметр коэффициента теплопроводности для воды составляет 0,58 Вт/м°C, становится понятным существенное повышение КТП материала.

Следует также отметить более негативный эффект, когда вода, попадающая в пористую структуру, дополнительно замораживается – превращается в лёд.

Соответственно, несложно просчитать ещё большее увеличение теплопроводности, принимая во внимание параметры КТП льда, равного значению 2,3 Вт/м°C. Прирост примерно в четыре раза к параметру теплопроводности воды.

Одной из причин отказа от зимнего строительства в пользу стройки летом следует считать именно фактор возможного подмораживания некоторых видов стройматериалов и как следствие – повышения теплопроводности

Отсюда становятся очевидными строительные требования относительно защиты изоляционных стройматериалов от попадания влаги. Ведь уровень теплопроводности растёт в прямой пропорциональности от количественной влажности.

Не менее значимым видится и другой момент – обратный, когда структура строительного материала подвергается существенному нагреву. Чрезмерно высокая температура также провоцирует рост теплопроводности.

Происходит такое по причине повышения кинематической энергии молекул, составляющих структурную основу стройматериала.

Правда, существует класс материалов, структура которых, напротив, приобретает лучшие свойства теплопроводности в режиме сильного нагрева. Одним из таких материалов является металл.

Если под сильным нагревом большая часть широко распространенных стройматериалов изменяет теплопроводность в сторону увеличения, сильный нагрев металла приводит к обратному эффекту – КТП металла понижается

Методы определения коэффициента

Используются разные методики в этом направлении, но по факту все технологии измерения объединены двумя группами методов:

  1. Режим стационарных измерений.
  2. Режим нестационарных измерений.

Стационарная методика подразумевает работу с параметрами, неизменными с течением времени или изменяющимися в незначительной степени. Эта технология, судя по практическим применениям, позволяет рассчитывать на более точные результаты КТП.

Действия, направленные на измерения теплопроводности, стационарный способ допускает проводить в широком температурном диапазоне – 20 – 700 °C. Но вместе с тем, стационарная технология считается трудоёмкой и сложной методикой, требующей большого количества времени на исполнение.

Пример аппарата, предназначенного под выполнение измерений коэффициента теплопроводности. Это одна из современных цифровых конструкций, обеспечивающая получение быстрого и точного результата

Другая технология измерений – нестационарная, видится более упрощенной, требующей для исполнения работ от 10 до 30 минут. Однако в этом случае существенно ограничен диапазон температур. Тем не менее, методика нашла широкое применение в условиях производственного сектора.

Таблица теплопроводности стройматериалов

Подвергать измерениям многие существующие и широко используемые стройматериалы не имеет смысла.

Все эти продукты, как правило, испытаны неоднократно, на основании чего составлена таблица теплопроводности строительных материалов, куда входят практически все нужные на стройке материалы.

Один из вариантов такой таблицы представлен ниже, где КТП – коэффициент теплопроводности:

Материал (стройматериал)Плотность, м3КТП сухая, Вт/мºC% влажн._1% влажн._2КТП при влажн._1, Вт/мºCКТП при влажн._2, Вт/мºC
Битум кровельный14000,27000,270,27
Битум кровельный10000,17000,170,17
Шифер кровельный18000,35230,470,52
Шифер кровельный16000,23230,350,41
Битум кровельный12000,22000,220,22
Лист асбоцементный18000,35230,470,52
Лист асбестоцементный16000,23230,350,41
Асфальтобетон21001,05001,051,05
Толь строительная6000,17000,170,17
Бетон (на гравийной подушке)16000,46460,460,55
Бетон (на шлаковой подушке)18000,46460,560,67
Бетон (на щебенке)24001,51231,741,86
Бетон (на песчаной подушке)10000,289130,350,41
Бетон (пористая структура)10000,2910150,410,47
Бетон (сплошная структура)25001,89231,922,04
Пемзобетон16000,52460,620,68
Битум строительный14000,27000,270,27
Битум строительный12000,22000,220,22
Минеральная вата облегченная500,048250,0520,06
Минеральная вата тяжелая1250,056250,0640,07
Минеральная вата750,052250,060,064
Лист вермикулитовый2000,065130,080,095
Лист вермикулитовый1500,060130,0740,098
Газо-пено-золо бетон8000,1715220,350,41
Газо-пено-золо бетон10000,2315220,440,50
Газо-пено-золо бетон12000,2915220,520,58
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)3000,088120,110,13
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)4000,118120,140,15
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)6000,148120,220,26
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)8000,2110150,330,37
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)10000,2910150,410,47
Строительный гипс плита12000,35460,410,46
Гравий керамзитовый6002,14230,210,23
Гравий керамзитовый8000,18230,210,23
Гранит (базальт)28003,49003,493,49
Гравий керамзитовый4000,12230,130,14
Гравий керамзитовый3000,108230,120,13
Гравий керамзитовый2000,099230,110,12
Гравий шунгизитовый8000,16240,200,23
Гравий шунгизитовый6000,13240,160,20
Гравий шунгизитовый4000,11240,130,14
Дерево сосна поперечные волокна5000,0915200,140,18
Фанера клееная6000,1210130,150,18
Дерево сосна вдоль волокон5000,1815200,290,35
Дерево дуба поперек волокон7000,2310150,180,23
Металл дюралюминий260022100221221
Железобетон25001,69231,922,04
Туфобетон16000,527100,70,81
Известняк20000,93231,161,28
Раствор извести с песком17000,52240,700,87
Песок под строительные работы16000,035120,470,58
Туфобетон18000,647100,870,99
Облицовочный картон10000,185100,210,23
Многослойный строительный картон6500,136120,150,18
Вспененный каучук60-950,0345150,040,054
Керамзитобетон14000,475100,560,65
Керамзитобетон16000,585100,670,78
Керамзитобетон18000,865100,800,92
Кирпич (пустотный)14000,41120,520,58
Кирпич (керамический)16000,47120,580,64
Пакля строительная1500,057120,060,07
Кирпич (силикатный)15000,64240,70,81
Кирпич (сплошной)18000,88120,70,81
Кирпич (шлаковый)17000,521,530,640,76
Кирпич (глиняный)16000,47240,580,7
Кирпич (трепельный)12000,35240,470,52
Металл медь850040700407407
Сухая штукатурка (лист)10500,15460,340,36
Плиты минеральной ваты3500,091250,090,11
Плиты минеральной ваты3000,070250,0870,09
Плиты минеральной ваты2000,070250,0760,08
Плиты минеральной ваты1000,056250,060,07
Линолеум ПВХ18000,38000,380,38
Пенобетон10000,298120,380,43
Пенобетон8000,218120,330,37
Пенобетон6000,148120,220,26
Пенобетон4000,116120,140,15
Пенобетон на известняке10000,3112180,480,55
Пенобетон на цементе12000,3715220,600,66
Пенополистирол (ПСБ-С25)15 – 250,029 – 0,0332100,035 – 0,0520,040 – 0,059
Пенополистирол (ПСБ-С35)25 – 350,036 – 0,0412200,0340,039
Лист пенополиуретановый800,041250,050,05
Панель пенополиуретановая600,035250,410,41
Облегченное пеностекло2000,07120,080,09
Утяжеленное пеностекло4000,11120,120,14
Пергамин6000,17000,170,17
Перлит4000,111120,120,13
Плита перлитоцементная2000,041230,0520,06
Мрамор28002,91002,912,91
Туф20000,76350,931,05
Бетон на зольном гравии14000,47580,520,58
Плита ДВП (ДСП)2000,0610120,070,08
Плита ДВП (ДСП)4000,0810120,110,13
Плита ДВП (ДСП)6000,1110120,130,16
Плита ДВП (ДСП)8000,1310120,190,23
Плита ДВП (ДСП)10000,1510120,230,29
Полистиролбетон на портландцементе6000,14480,170,20
Вермикулитобетон8000,218130,230,26
Вермикулитобетон6000,148130,160,17
Вермикулитобетон4000,098130,110,13
Вермикулитобетон3000,088130,090,11
Рубероид6000,17000,170,17
Плита фибролит8000,1610150,240,30
Металл сталь785058005858
Стекло25000,76000,760,76
Стекловата500,048250,0520,06
Стекловолокно500,056250,060,064
Плита фибролит6000,1210150,180,23
Плита фибролит4000,0810150,130,16
Плита фибролит3000,0710150,090,14
Клееная фанера6000,1210130,150,18
Плита камышитовая3000,0710150,090,14
Раствор цементо-песчаный18000,58240,760,93
Металл чугун720050005050
Раствор цементно-шлаковый14000,41240,520,64
Раствор сложного песка17000,52240,700,87
Сухая штукатурка8000,15460,190,21
Плита камышитовая2000,0610150,070,09
Цементная штукатурка10500,15460,340,36
Плита торфяная3000,06415200,070,08
Плита торфяная2000,05215200,060,064

Рекомендуем также прочесть и другие наши статьи, где мы рассказываем о том как правильно выбирать утеплитель:

Выводы и полезное видео по теме

Видеоролик тематически направленный, где достаточно подробно разъясняется – что такое КТП и «с чем его едят». Ознакомившись с материалом, представленным в ролике, появляются высокие шансы стать профессиональным строителем.

Очевидный момент – потенциальному строителю обязательно необходимо знать о теплопроводности и ее зависимости от различных факторов. Эти знания помогут строить не просто качественно, но с высокой степенью надежности и долговечности объекта. Использование коэффициента по существу – это реальная экономия денег, допустим, на оплате за те же коммунальные услуги.

Если у вас появились вопросы или есть ценная информация  по теме статьи, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

sovet-ingenera.com

Теплопроводность. Просто о сложном.

При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности. Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку.

Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой). Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков. Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла. Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня. Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень. Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло. При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место. Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция. Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры. В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет. В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов. Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года. На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

  • твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
  • газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.           

Если сравнивать теплоизоляцию PIR с пеностеклом или пенобетоном, то по структуре эти материалы схожи. Все они ячеистые и наполнены газом. Однако теплопроводности этих материалов будут отличаться.

Стекло и бетон, в отличие от пластиков, проводят тепло интенсивнее, соответственно, пеностекло и пенобетон обладают большей теплопроводностью и их показатели в качестве теплоизоляторов несколько хуже. Даже полимеры отличаются друг от друга теплопроводностью.

Как было сказано ранее, представленные материалы ячеистые и в каждом находятся какие-то газы. В пеностекле и пенобетоне это, как правило, окружающий воздух, в PIR – инертные газы. Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно. Намного лучше тепло проводит воздух, поскольку он состоит из смеси разных газов, молекул очень много и все они друг с другом взаимодействуют.

Конвекционную составляющую у мелкоячеистой теплоизоляции обычно не рассматривают, поскольку размер ячеек теплоизоляции PIR ничтожно мал (меньше 1мм) и газ в этих ячейках неподвижен.

Последняя составляющая – излучение. Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет. В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа. По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

В процессе эксплуатации легкие инертные газы замещаются на более тяжелый окружающий воздух с хорошей теплопроводностью. Это происходит у всех пористых материалов за счет диффузных процессов.

Рассмотрим в качестве примера обычный воздушный шарик, наполненный гелием, который можно сравнить с одной ячейкой вспененной теплоизоляции. Новый шарик все время стремится улететь высоко в небо. Если утром он еще висел под потолком, то со временем он постепенно опустится и будет висеть в центре комнаты, а еще через несколько часов лежать на полу. Т.е. все это время газ за счет диффузии медленно выходит из шарика, и тот теряет свою «летучесть».

Так же и с теплоизоляцией. «Шарики» (ячейки), которые ближе всего расположены к границе с окружающим воздухом постепенно изменяют свой газовый состав. Однако те «шарики», которые находятся глубоко в материале, делают это очень медленно или не делают вовсе, поскольку инертному газу очень сложно пройти огромное количество стенок соседних «шариков» и вырваться наружу.

Кроме того, поверхность теплоизоляции покрыта фольгой, препятствующей выходу газа, соответственно, теплопроводность материала (ее газовая составляющая) сохраняется.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

Подведем итог.

Теплоизоляция – это очень важный показатель. От нее зависит, насколько теплым будет ваш дом. У наиболее эффективной теплоизоляции все ее составляющие () должны быть как можно ниже. У современной изоляции на примере LOGICPIR это достигается за счет применения инертных газов, полимеров и специальных покрытий, отражающих тепловой поток. Уверены, что теперь вы не только сможете безошибочно выбрать теплоизоляционный материал, отвечающий самым высоким требованиям, но и поможете своим детям сдать физику на высший балл.

Источник: http://www.nappan.ru/press/news/Teploprovodnost_Prosto_o_slozhnom/

isobud.ru

Коэффициент теплопроводности - это... Что такое Коэффициент теплопроводности?

Теплопрово́дность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

В установившемся режиме поток энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры:

где  — вектор потока тепла — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси,  — коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью), T — температура. Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

где P — полная мощность тепловых потерь, S — площадь сечения параллелепипеда, ΔT — перепад температур граней, h — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз 1001—2600
Серебро 430
Медь 382—390
Золото 320
Алюминий 202—236
Латунь 97—111
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Сталь 47
Кварц 8
Стекло 1
Вода 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Пенобетон 0,14—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Дерево 0,15
Шерсть 0,05
Минеральная вата 0,045
Пенополистирол 0,04
Пеноизол 0,035
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,026
Воздух (сухой неподвижный) 0,024—0,031
Аргон 0,0177
Ксенон 0,0057
Аэрогель 0,003
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример — Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример — фен, греющие вентиляторы).

Коэффициент теплопроводности вакуума

Коэффициент теплопроводности вакуума стремится к нулю. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тепло в вакууме передаётся только излучением. Поэтому для уменьшения теплопотери стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность хуже излучает и лучше отражает), а воздух между ними откачивают.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности K с удельной электрической проводимостью σ в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

где k — постоянная Больцмана, e — заряд электрона.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. д. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[1], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[2]

Если время релаксации τ пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Примечания

  1. ↑ J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
  2. ↑ C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.

См. также

Другие способы теплопередачи

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru


Смотрите также