Теплопроводность материалов

Термин «теплопроводность» применяется к свойствам материалов пропускать тепловую энергию от горячих участков к холодным. Теплопроводность основана на движении частиц внутри веществ и материалов. Способность передавать энергию тепла в количественном измерении – это коэффициент теплопроводности. Круговорот тепловой энергопередачи, или тепловой обмен, может проходить в любых веществах с неравнозначным размещением разных температурных участков, но коэффициент теплопроводности зависим от давления и температуры в самом материале, а также от его состояния – газообразного, жидкого или твердого.

Эквивалентная теплопроводимость строительных материалов и утеплителей
Эквивалентная теплопроводимость строительных материалов и утеплителей

 

Физически теплопроводность материалов равняется количеству тепла, которое перетекает через однородный предмет установленных габаритов и площади за определенный временной отрезок при установленной температурной разнице (1 К). В системе СИ единичный показатель, который имеет коэффициент теплопроводности, принято измерять в Вт/(м•К).

Как рассчитать теплопроводность по закону Фурье

В заданном тепловом режиме плотность потока при передаче тепла прямо пропорциональна вектору максимального увеличения температуры, параметры которой изменяются от одного участка к другим, и по модулю с одинаковой скоростью увеличения температуры по направлению вектора:

q = − ϰ х grad х (T), где:

  • q – направление плотности предмета, передающего тепло, или объем теплового потока, который протекает по участку за заданную временную единицу через определенную площадь, перпендикулярный всем осям;
  • ϰ – удельный коэффициент теплопроводности материала;
  • T – температура материала.
Перенос тепла в неравновесной термодинамической системе
Перенос тепла в неравновесной термодинамической системе

 

Знак «-» в формуле перед «ϰ» указывает, что тепло движется в противоположном направлении от вектора grad х (T)/ – в направлении уменьшения температуры предмета. Эта формула отражает закон Фурье. В интегральном выражении коэффициент теплопередачи согласно закону Фурье будет выглядеть как формула:

  • P = − ϰ х S х ΔT / l, выражается в (Вт/(м•К) х (м2•К) / м = Вт/(м•К) х (м•К) = Вт), где:
  • P ­– общая мощность потерь теплоотдачи;
  • S – сечение предмета;
  • ΔT – разница температуры по стыкам сторон предмета;
  • l – расстояние между стыками сторон предмета – длина фигуры.
Связь коэффициента теплопроводимости с электропроводностью материалов
Связь коэффициента теплопроводимости с электропроводностью материалов

 

Электропроводность и коэффициент теплопередачи

Собственно, коэффициент теплопроводности металлов «ϰ» связан с их удельной электропроводимостью «σ» согласно закону Видемана-Франца, в соответствии с которым коэффициент теплопроводности металлов зависит от удельной электропроводимости прямо пропорционально температуре:

Κ / σ = π2 / 3 х (К / e)2 х T, где:

  • К – постоянный коэффициент Больцмана, устанавливающий закономерность между тепловой энергией тела и его температурой;
  • e – заряд электрона;
  • T – термодинамическая температура предмета.

Коэффициент теплопроводности газовой среды

В газовой среде коэффициент теплопроводности воздуха может рассчитываться по приблизительной формуле:

ϰ ~ 1/3 х p х cv х Λλ х v, где:

  • pv – плотность газовой среды;
  • cv – удельная емкость тепловой энергии при одном и том же объеме тела;
  • Λλ – расстояние свободного перемещения молекул в газовой среде;
  • v – скорость передачи тепла.
Что такое теплопроводимость
Что такое теплопроводимость

 

Или:

ϰ = I x К / 3 x π3/3 x d2 √ RT / μ, где:

  • i – результат суммирования уровней свободы прямого движения и вращения молекул в газовой среде (для 2-атомных газов i=5, для 1-атомных i=3;
  • К – коэффициент Больцмана;
  • μ – отношение массы газа к количеству молей газа;
  • T – термодинамическая температура;
  • d – ⌀ молекул газа;
  • R – универсальный коэффициент для газовой среды.

Согласно формуле минимальная теплопроводность материалов существует у тяжелых инертных газов, максимально эффективная теплопроводность строительных материалов – у легких.

Теплопроводимость в газовой разреженной среде

Газовая среда и теплопроводность
Газовая среда и теплопроводность

 

Результат по выкладкам выше, по которым делают расчет теплопроводности для газовой среды, от давления не зависит. Но в очень разреженной газовой среде расстояние свободного перемещения молекул зависит не от столкновений частиц, а от препятствий в виде стен резервуара. При этом ограничение перемещения молекул в соответствующих единицах измерения называют высоковакуумной средой, при которой степень теплообмена уменьшается в зависимости от плотности материала и прямо пропорциональна значению давления в резервуаре:

ϰ ~ 1/3 х p х cv х l х v, где:

i – объем резервуара;

Р – уровень давления в резервуаре.

Согласно этой формуле теплопроводность в вакуумной среде стремится к нулевой отметке при глубоком вакууме. Это объясняется тем, что в вакууме частицы, которые передают тепловую энергию, имеют низкую плотность на единицу площади. Но тепловая энергия в вакуумной среде перетекает посредством излучения. В качестве примера можно привести обычный термос, в котором для уменьшения потерь тепловой энергии стенки должны быть двойными и посеребренными, без воздуха между ними.

Что такое тепловое излучение
Что такое тепловое излучение

 

При применении закона Фурье не принимают во внимание инерционность перетекания тепловой энергии, а это значит, что имеется в виду мгновенная передача тепла из любой точки на любое расстояние. Поэтому формулу нельзя использовать для расчетов передачи тепла при протекании процессов, имеющих высокую частоту повторения. Это ультразвуковое излучение, передача тепловой энергии волнами ударного или импульсного типа и т.д. Существует решение по закону Фурье с релаксационным членом:

τ х ∂q / ∂t = − (q + ϰ х ∇T) .

Если ре­лак­са­ция τ мгновенная, то формула превращается в закон Фурье.

Ориентировочная таблица теплопроводности материалов:

ОсноваЗначение теплопроводности, Вт/(м•К)
Жесткий графен4840 +/ 440 — 5300 +/ 480
Алмаз1001-2600
Графит278,4-2435
Бора арсенид200-2000
SiC490
Ag430
Cu401
BeO370
Au320
Al202-236
AlN200
BN180
Si150
Cu3Zn297-111
Cr107
Fe92
Pt70
Sn67
ZnO54
 Черная сталь47-58
Pb35,3
НержавейкаТеплопроводность стали — 15
SiO28
Высококачественные термостойкие пасты5-12
Гранит

(состоит из SiO2 68-73 %; Al2O3 12,0-15,5 %; Na2O 3,0-6,0 %; CaO 1,5-4,0 %; FeO 0,5-3,0 %; Fe2O3 0,5-2,5 %; К2О 0,5-3,0 %; MgO 0,1-1,5 %; TiO2 0,1-0,6 %)

2,4
Бетонный раствор без заполнителей1,75
Бетонный раствор со щебнем или с гравием1,51
Базальт

(состоит из SiO2 — 47-52%, TiO2 — 1-2,5%, Al2O3 — 14-18%, Fe2O3 — 2-5%, FeO — 6-10%, MnO — 0,1-0,2%, MgO — 5-7%, CaO — 6-12%, Na2O — 1,5-3%, K2O — 0,1-1,5%, P2O5 — 0,2-0,5 %)

1,3
Стекло

(состоит из SiO2, B2O3, P2O5, TeO2, GeO2, AlF3 и т.д.)

1-1,15
Термостойкая паста КПТ-80,7
Бетонный раствор с наполнителем из песка, без щебня или гравия0,7
Вода чистая0,6
Силикатный

или красный кирпич

0,2-0,7
Масла

на основе силикона

0,16
Пенобетон0,05-0,3
Газобетон0,1-0,3
ДеревоТеплопроводность дерева – 0,15
Масла

на основе нефти

0,125
Снег0,10-0,15
ПП с группой горючести Г10,039-0,051
ЭППУ с группой горючести Г3, Г40,03-0,033
Стеклянная вата0,032-0,041
Вата каменная0,035-0,04
Воздушная атмосфера (300 К, 100 кПа)0,022
Гель

на основе воздуха

0,017
Аргон (Ar)0,017
Вакуумная среда0

Приведенная таблица теплопроводности учитывает теплопередачу посредством теплового излучения и теплообмена частиц. Так как вакуум не передает тепло, то оно перетекает при помощи солнечного излучения или другого типа генерации тепла.  В газовой или жидкой среде слои с разной температурой смешиваются искусственно или естественным способом.

Таблица теплопроводимости стройматериалов
Таблица теплопроводимости стройматериалов

 

Проводя расчет теплопроводности стены, необходимо принимать во внимание, что теплопередача сквозь стеновые поверхности меняется от того, что температура в здании и на улице всегда разная, и зависит от площади всех поверхностей дома и от теплопроводности стройматериалов.

Чтобы количественно оценить теплопроводность, ввели такое значение, как коэффициент теплопроводности материалов. Он показывает, как тот или иной материал способен передавать тепло. Чем выше это значение, например, коэффициент теплопроводности стали, тем эффективнее сталь будет проводить тепло.

  • При утеплении дома из древесины рекомендуется выбирать стройматериалы с низким коэффициентом.
  • Если стена кирпичная, то при значении коэффициента 0,67 Вт/(м2•К) и толщине стены 1 м при ее площади 1 м2 при разнице наружной и внутридомовой температуры 10С кирпич будет пропускать 0,67 Вт энергии. При разнице температур 100С кирпич будет пропускать 6,7 Вт и т.д.

Стандартное значение коэффициента теплопроводимости теплоизоляции и других строительных материалов верно для толщины стены 1 м. Чтобы провести расчет теплопроводности поверхности другой толщины, следует коэффициент поделить на выбранное значение толщины стены (метры).

Ориентировочные показатели коэффициентов теплопроводимости
Ориентировочные показатели коэффициентов теплопроводимости

 

В СНиП и при проведении расчетов фигурирует термин «тепловое сопротивление материала», он означает обратную теплопроводность. То есть при теплопроводности листа пенопласта 10 см и его теплопроводности 0,35 Вт/(м2•К) тепловое сопротивление листа – 1 / 0,35 Вт/(м2•К) = 2,85 (м2•К)/Вт.

Ниже – таблица теплопроводности для востребованных строительных материалов и теплоизоляторов:

СтройматериалыКоэффициент теплопроводимости, Вт/(м2•К)
Плиты из алебастра0,47
Al230
Шифер асбоцементный0,35
Асбест (волокно, ткань)0,15
Асбоцемент1,76
Асбоцементные изделия0,35
Асфальт0,73
Асфальт для напольного покрытия0,84
Бакелит0,24
Бетон с заполнителем щебнем1,3
Бетон с заполнителем песком0,7
Пористый бетон – пено- и газобетон1,4
Сплошной бетон1,75
Термоизоляционный бетон0,18
Битумная масса0,47
Бумажные материалы0,14
Рыхлая минвата0,046
Тяжелая минвата0,05
Вата – теплоизолятор на основе хлопка0,05
Вермикулит в плитах или листах0,1
Войлок0,046
Гипс0,35
Глиноземы2,33
Гравийный заполнитель0,93
Гранитный или базальтовый заполнитель3,5
Влажный грунт, 10%1,75
Влажный грунт, 20%2,1
Песчаники1,16
Сухая почва0,4
Уплотненный грунт1,05
Гудроновая масса0,3
Доска строительная0,15
Фанерные листы0,15
Твердые породы дерева0,2
ДСП0,2
Дюралюминиевые изделия160
Железобетонные изделия1,72
Зола0,15
Известняковые блоки1,71
Раствор на песке и извести0,87
Смола вспененная0,037
Природный камень1,4
Картонные листы из нескольких слоев0,14
Каучук пористый0,035
Каучук0,042
Каучук с фтором0,053
Керамзитобетонные блоки0,22
Красный кирпич0,13
Пустотелый кирпич0,44
Полнотелый кирпич0,81
Сплошной кирпич0,67
Шлакокирпич0,58
Плиты на основе кремнезема0,07
Латунные изделия110
Лед при температуре 00С2,21
Лед при температуре -200С2,44
Лиственное дерево при влажности 15%0,15
Медные изделия380
Мипора0,086
Опилки для засыпки0,096
Сухие опилки0,064
ПВХ0,19
Пенобетон0,3
Пенопласт марки ПС-10,036
Пенопласт марки ПС-40,04
Пенопласт марки ПХВ-10,05
Пенопласт марки ФРП0,044
ППУ марки ПС-Б0,04
ППУ марки ПС-БС0,04
Лист из пенополиуретана0,034
Панель из пенополиуретана0,024
Облегченное пеностекло0,06
Тяжелое вспененное стекло0,08
Пергаминовые изделия0,16
Перлитовые изделия0,051
Плиты на цементе и перлите0,085
Влажный песок 0%0,33
Влажный песок 0%0,97
Влажный песок 20%1,33
Обожженный камень1,52
Керамическая плитка1,03
Плитка марки ПМТБ-20,035
Полистирол0,081
Поролон0,04
Раствор на основе цемента без песка0,47
Плита из натуральной пробки0,042
Легкие листы из натуральной пробки0,034
Тяжелые листы из натуральной пробки0,05
Резиновые изделия0,15
Рубероид0,17
Сланец2,100
Снег1,5
Хвойная древесина влажностью 15%0,15
Хвойная смолистая древесина влажностью 15%0,23
Стальные изделия52
Стеклянные изделия1,15
Утеплитель стекловата0,05
Стекловолоконные утеплители0,034
Стеклотекстолитовые изделия0,31
Стружка0,13
Тефлоновое покрытие0,26
Толь0,24
Плита на основе цементного раствора1,93
Цементно-песчаный раствор1,24
Чугунные изделия57
Шлак в гранулах0,14
Шлак зольный0,3
Шлакобетонные блоки0,65
Сухие штукатурные смеси0,22
Штукатурный раствор на основе цемента0,95
Эбонитовые изделия0,15
Влажность и теплопроводимость – зависимость
Влажность и теплопроводимость – зависимость

 

Кроме того, необходимо учитывать теплопроводность утеплителей из-за их струйных тепловых потоков. В плотной среде возможно «переливание» квазичастиц из одного нагретого стройматериала в другой, более холодный или более теплый, через поры субмикронных размеров, что помогает распространять звук и тепло, даже если в этих порах  будет абсолютный вакуум.

Рейтинг
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
JSNiP.ru
Adblock detector