Что обладает плохой теплопроводностью

Теплопроводность

Содержание

Внутренняя энергия тела может изменяться без совершения работы – за счет теплопередачи. Когда мы подносим металлическую палку к пламени свечи, ее конец тоже становится горячим.

На этом примере видно, что внутренняя энергия может передаваться от одних тел к другим. Также внутренняя энергия может передаваться от одной части тела к другой – ведь нижняя часть палки не касается свечи, но нагревается.

То же явления мы можем наблюдать, опустив железную ложку в кипяток. Вскоре конец ложки, не погружённый в воду, станет горячим (рисунок 1).

Одним из видов теплопередачи является теплопроводность. Именно его мы наблюдаем в приведенном примере. В данном уроке мы более подробно рассмотрим это явление.

Определение тепловодности

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

Рассмотрим подробнее последнее утверждение. Поднесем к огню конец деревянной палочки (рисунок 2). Он загорится. Тем не менее, другой ее конец останется холодным. Следовательно, дерево обладает плохой теплопроводностью.

Если мы заменим деревянную палочку на металлическую, то она вся довольно быстро нагреется. Держа такой предмет, можно легко обжечься.

Это говорит о том, что металлы имеют большую теплопроводность. Серебро медь и золото имеют наибольшую теплопроводность.

Теплопроводность твердых тел

Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 3.

Прикрепляем к штативу один конец толстой медной проволоки. Под другим концом проволоки расположим спиртовую горелку. К проволоке прикрепим с помощью воска небольшие гвоздики (рисунок 3, а).

Начнем нагревать свободный конец проволоки с помощью спиртовки (рисунок 3, б). Воск постепенно начнет таять.

Поочередно гвоздики начнут отваливаться, начиная с тех, что находятся ближе к огню спиртовки (рисунок 3, в).

Объясним происходящее со стороны физики:

Этот процесс будет постепенно проходить по всей длине проволоки.

При теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.

Рассмотрим еще один опыт (рисунок 3). На этот раз с другой стороны подставим к горелке еще один штатив с закрепленной на нем проволокой. Различие будет в ее материале – проволока сделана из стали.

В процессе нагревания мы увидим, что гвоздики на медной проволоке отваливаются быстрее. Медь быстрее нагревается по всей длине. Это показывает нам, что тепловодность различных металлов неодинакова. Медь имеет большую тепловодность, чем сталь.

Теплопроводность жидкостей

Проведем простой опыт. Наполним пробирку водой и начнем подогревать ее верхнюю часть (рисунок 4).

Вода в верхней части пробирки быстро закипит, а у дна просто нагреется. Это говорит о том, что у жидкостей теплопроводность невелика (исключение составляют ртуть и расплавленные металлы).

Причина небольшой теплопроводности жидкостей – расположение молекул в их строении. Расстояние между молекулами жидкости больше, чем в твердых телах.

Теплопроводность газов

Исследуем на опыте теплопроводность газов. Наденем на палец пробирку. Будем нагревать ее дно в пламени спиртовки (рисунок 5).

Нам придется долго ждать, чтобы почувствовать тепло нагретого в пробирке воздуха. Расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Значит, теплопроводность газов еще меньше.

Волосы, шерсть, перья птиц обладают плохой теплопроводностью. Причина этому – между волокнами этих веществ содержится воздух.

Теплопроводность объясняется переносом энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии частиц вещества. Чем больше расстояние между частицами и слабее взаимодействие между ними, тем меньшей теплопроводностью обладает тело. Поэтому наименьшей теплопроводностью обладает вакуум (безвоздушное пространство). Нет частиц – нет теплопроводности.

Применение

Иногда необходимо предохранить тело от нагревания или охлаждения. Для этого используют тела с малой теплопроводностью. Если кастрюли и сковородки делают из металла (позволяет быстрее нагреваться), то их ручки делают из дерева или пластмассы. Это позволяет нам не обжигаться. По этой же причине кружки и стаканы изготавливают преимущественно из пластмассы, стекла, фарфора.

Материалы, которые используют при строительстве домов (бревна, кирпичи, бетон) обладают плохой теплопроводностью. Таким образом строения меньше охлаждаются.

В устройстве термоса тоже применяется явление теплопроводности (рисунок 6). Из пространства между колбой и кожухом выкачан воздух, так почти не осуществляется теплопередача.

Снежный покров имеет плохую теплопроводность. Это имеет огромное значение для живых организмов: многие зимующие растения защищены от вымерзания; крупные животные ночуют, зарывшись в снег; мелкие могут вести активную жизнь в норах, вырытых под снегом.

Источник

Теплопроводность воды и льда и их особенности

Вода и лед: теплопроводность: Freepick

Теплопроводность воды в жидком и твердом состоянии обеспечивает жизнь в водоемах в зимний период. Что означает показатель и как его изменения помогают водной флоре и фауне? В поисках ответов на эти вопросы ученые обнаружили много интересных фактов.

Теплопроводность воды и льда

Особенные физические свойства имеет вода. Теплопроводность ее, например, в жидком и твердом состоянии отличается, что очень важно для природы. Прежде чем узнать точные значения этого показателя и рассмотреть примеры, познакомимся поближе с самим явлением.

Что такое теплопроводность

В прежние времена люди считали, что тепловая энергия передается благодаря перетеканию некоего «теплорода» из одного места в другое.

Но молекулярно-кинетическая теория подробно изучила это явление и сумела объяснить его с учетом взаимодействия частиц вещества. Молекулы из более нагретых частей двигаются быстрее и способны делиться энергией с холодными частями, сталкиваясь с их медленными частицами.

Как мы понимаем теплопроводность сегодня? Так ученые называют способность материального тела проводить энергию (тепло) от более нагретой части к менее нагретой благодаря хаотическому движению частиц — атомов, молекул, электронов и т. п.

Обмен теплом происходит в любом теле с неоднородно распределенной температурой. Однако его механизм отличается в зависимости от того, твердое, жидкое или газообразное вещество перед нами.

Также под теплопроводностью понимают количественную характеристику способности тела к проведению тепла. Если сравнить тепловую цепь с электрической, то этот показатель будет аналогом проводимости.

Количественно данное свойство характеризуют коэффициентом теплопроводности, который также известен как удельная теплопроводность:

Особенные свойства воды: Freepick

Каковы теплофизические свойства воды и льда

Коэффициент теплопроводности воды меняется в зависимости от температуры:

С учетом столь маленьких значений коэффициента для воды перенос тепла в водных объектах становится не совсем обычным процессом. В природе на первый план в переносе тепла в водоемах выходят турбулентные процессы.

Теплопроводность льда имеет следующие особенности:

Таким образом, показатель теплопроводности льда при 0 °С практически в четыре раза превышает данный показатель для воды при такой же температуре. Это говорит о том, что тепло проводится льдом гораздо быстрее, чем водой. Поэтому в живом организме замерзание происходит быстрее, чем оттаивание.

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда

Показатели и особенности теплопроводности воды имеют важное значение для природы, а точнее, для жизни водоемов. Во многих уголках планеты температура окружающей среды значительно меняется в течение года.

Но даже при экстремально низких температурах водоемы никогда не промерзают до дна, благодаря чему в них сохраняется жизнь. В чем секрет? Разгадать эту загадку можно, если помнить о некоторых свойствах льда и воды.

Низкая теплопроводность льда

У льда плохая теплопроводность, поэтому, когда температура воздуха вокруг него снижается, под ним сохраняется относительное тепло. В любом случае температура будет плюсовая, благодаря чему вода не промерзнет до дна.

Таким образом из толстого слоя льда на водоеме получается своеобразное одеяло, оберегающее от мороза жизнь в водоемах. Чем сильнее холода, тем толще необходим слой льда, чтобы создать нужную теплоизоляцию.

Расширение воды при замерзании

Вода под слоем льда: Freepick

В процессе замерзания вода ведет себя нетипично для жидкости. Практически все жидкости во время охлаждения сжимаются, их объем сокращается, а концентрация увеличивается. К примеру, твердый воск тяжелее, чем жидкий, потому погружается в него и остается на дне.

С водой же происходит следующее:

Таким образом, вода при охлаждении не сжимается, а расширяется. В ходе этого процесса ее вес уменьшается.

Особенности плотности воды

Вода — особенное вещество еще и потому, что ее плотность в жидком состоянии выше, чем в твердом. Максимальной плотностью обладает вода при температуре +4 °С. В зимний период вода с такой температурной отметкой окажется на дне. Поверхность же украсит лед с плотностью около 900 кг/м³.

Сразу под ним будет вода с температурой около 0 °С, а по мере набора глубины температура достигнет +4 °С. При этом плотность будет расти, что не даст слоям смешаться и замерзнуть.

Как же замерзают водоемы? Этот процесс происходит так:

Сохранение температуры выше ноля в нижнем слое водоемов обеспечивает живые организмы возможностью выжить в условиях суровой зимы. Если бы вода не имела таких особенных физических свойств, то всей водной флоре и фауне грозило бы вымирание.

Интересно, что аналогичное свойство было обнаружено в Солнечной системе на спутниках планет-гигантов, на которых существуют большие запасы воды. В придонных зонах внеземных океанов показатели температуры, как правило, еще выше.

Ученые считают, что жидкую воду можно обнаружить под льдом таких планет, как Европа, Каллисто, Ганимед, Рея, Титания, Оберон, Тритон, Плутон. Возможно, их ледяные корки скрывают огромные океаны.

Теперь вам известно не только то, какова теплопроводность воды, но и чем она особенна и чем полезна природе. Все эти чудеса постоянно происходят вокруг нас. Физика объясняет их и делает загадочные явление понятными.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник

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.

LOGICPIR – это инновационный утеплитель, обладающий уникальными показателями теплопроводности – всего 0,021 Вт/м*К, позволяющий добиться максимальной экономии пространства при минимальной толщине теплоизоляции. Кроме того, PIR-плиты не впитывают влагу, тем самым предотвращая образование конденсата и надежно защищая ваш дом от появления плесенных грибов, клещей и бактерий, представляющих опасность для здоровья. LOGICPIR относится к новому поколению полиуретанов, окружающих нас повсеместно: начиная от деталей интерьера автомобилей, матрацев и обуви и заканчивая медициной, где самая поразительная сфера их применения – изготовление протезов для сердечно-сосудистой системы. Стоит ли говорить, что материал экологически безопасен, что подтверждено целым рядом сертификатов и заключений.

Итак, вернемся к теплопроводности.

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

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.

Спасибо компании «Технониколь» за помощь в подготовке материала

Источник

Низкая теплопроводность это хорошо или плохо

Низкая теплопроводность – одно из основополагающих качеств любого теплоизоляционного материала. Благодаря ему утеплитель предотвращает потери (полные или частичные) тепла в помещении. Он не дает выходить теплому воздуху из нагретого здания в холодное время года, препятствует перегреву помещений в жаркие месяцы. У каждого теплоизоляционного материала будет свой коэффициент теплопроводности. На него требуется обращать внимание, когда строители решают купить утеплитель стен для дома, кровли, пола, других поверхностей. Коэффициент теплопроводности всегда указывается в эксплуатационных характеристиках материала. Если этих данных у теплоизоляции нет, то стоит ориентироваться на внешний вид материала. Чем тоньше его слой, тем ниже у него коэффициент теплопроводности.

Утеплитель ШелтерЭкоСтрой — разработка и производство.

ООО «Фабрика Нетканых Материалов «Весь Мир»

ШелтерЭкоСтрой 2019 (с). Все права защищены

Теплопроводность.

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.

Ведущие тенденции современного строительства – это возведение домов с максимальной энергоэффективностью. То есть с возможностью создания и поддержания комфортных условий проживания при минимальных затратах энергоносителей. Понятно, что многим нашим строителям, ведущим возведение своих жилых владений самостоятельно, до таких показателей пока далековато, но стремиться к этому – необходимо всегда.

Теплопроводность строительных материалов

Прежде всего, это касается минимизации тепловых потерь через строительные конструкции. Достигается такое снижение эффективной термоизоляцией, выполненной на основании теплотехнических расчетов. Проектирование в идеале должны проводить специалисты, но часто обстоятельства понуждают владельцев жилья и такие вопросы брать в свои руки. Значит, необходимо иметь общие представления о базовых понятиях строительной теплотехники. Прежде всего – что такое теплопроводность строительных материалов, в чем она измеряется, как просчитывается.

Что такое теплопроводность, какими единицами измерения она описывается?

Если не рассматривать каких-то теоретических условий, то в реальности все физические тела, жидкости или газы обладают способностью к передаче тепла. Иными словами, чтобы было понятнее, если какой-то объект начинают нагревать с одной из сторон, он становится проводником тепла, нагреваясь сам и передавая тепловую энергию дальше. Точно так же – и при охлаждении, только с «обратным знаком».

Даже на простом бытовом уровне всем понятно, что эта способность выражена у разных материалов в очень отличающейся степени. Например, одно дело мешать готовящееся на плите кипящее блюдо деревянной лопаткой, и совсем другое – металлической ложкой, которая практически моментально разогреется до такой температуры, что ее невозможно будет держать в руках. Этот пример наглядно показывает, что теплопроводность металла во много раз выше, чем у дерева.

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

И таких примеров – масса, буквально на каждом шагу. Например, прикоснитесь рукой к обычной деревянной двери в комнате, и к металлической ручке, прикрученной на ней. По ощущениям – ручка холоднее. Но такого не может быть – все предметы в помещении имеют примерно равную температуру. Просто металл ручки быстрее отвел на себя тепло тела, что и вызвало ощущения более холодной поверхности.

Коэффициент теплопроводности материала

Существует специальная единица, которая характеризует любой материал, как проводник тепла. Называется она коэффициентом теплопроводности, обозначается обычно греческой буквой λ, и измеряется в Вт/(м×℃). (Во многих встречающихся формулах вместо градусов Цельсия ℃ указаны градусы Кельвина, К, но сути это не меняет).

Этот коэффициент показывает способность материала передавать определенное количество тепла на определённое расстояние за единицу времени. Причем, это показатель характеризует именно материал, то есть без привязки к каким бы то ни было размерам.

Такие коэффициенты рассчитаны для практически любых строительных и иных материалов. Ниже в данной публикации приведены таблицы для различных групп – растворов, бетонов, кирпичной и каменной кладки, утеплителей, древесины, металлов и т.д. Даже беглого взгляда на них достаточно, чтобы убедиться, насколько эти коэффициенты могут отличаться.

Очень часто производители стройматериалов того или иного предназначения в череде паспортных характеристик указывают и коэффициент теплопроводности.

Материалы, которые отличаются высокой проводимостью тепла, например, металлы, как раз и находят часто применение в роли теплоотводов или теплообменников. Классический пример – радиаторы отопления, в которых чем лучше их стенки будут передавать нагрев от теплоносителя, тем эффективнее их работа.

А вот для большинства строительных материалов – ситуация обратная. То есть чем меньше коэффициент теплопроводности материала, из которого возведена условная стенка, тем меньше тепла будет терять здание с приходом холодов. Или, тем меньше можно будет сделать толщину стены при одинаковых показателях теплопроводности.

И на титульной картинке к статье, и на иллюстрации ниже показаны весьма наглядные схемы, как будет различаться толщина стены из разных материалов при равных способностях удержать тепло в доме. Комментарии, наверное, не нужны.

Одинаковая термоизоляционная способность – и совершенно разные толщины. Хороший пример по разнице в теплопроводности.

В справочной литературе часто указывается не одно значение коэффициента теплопроводности для какого-то материала, а целых три. (А иногда – и больше, так как этот коэффициент может меняться с изменением температуры). И это – правильно, так как на теплопроводные качества влияют и условия эксплуатации. И в первую очередь – влажность.

Это свойственно большинству материалов – при насыщении влагой коэффициент теплопроводности увеличивается. И если ставится цель выполнить расчеты максимально точно, с привязкой к реальным условиям эксплуатации, то рекомендуется не пренебрегать этой разницей.

Итак, коэффициент может даваться расчетный, то есть для совершенно сухого материала и лабораторных условий. Но для реальных расчетов берут его или для режима эксплуатации А, или для режима Б.

Эти режимы складываются консолидировано из климатических особенностей региона и из особенностей эксплуатации конкретного здания (помещения).

Тип своей климатической зоны по уровню влажности можно определить по предлагаемой карте-схеме:

Климатические зоны территории России по уровню влажности: 1 –влажная; 2 – нормальная; 3 – сухая.

Особенности влажностного режима помещений определяются по следующей таблице:

Таблица определения влажностного режима помещений

Итак, имея данные карты-схемы и таблицы, можно по второй таблице определиться с выбором режима А или Б, от которого будет зависеть реальная величина коэффициента теплопроводности.

Таблица для выбора режима эксплуатации ограждающих конструкций

Вот по этому режиму и выбирается из табличных данных наиболее близкий к реальности коэффициент теплопроводности.

Таблицы будут приведены ниже, под теоретической частью.

Сопротивление теплопередаче

Итак, коэффициент теплопроводности характеризует сам материал. Но с практической точки зрения, наверное, важнее иметь какую-то величину, которая будет описывать теплопроводные способности конкретной конструкции. То есть уже с учетом особенностей ее строения и размеров.

Такая единица измерения есть, и называется она сопротивлением теплопередаче. Ее можно считать обратной величиной коэффициенту теплопроводности, с одновременным учетом толщины материала.

Обозначается сопротивление теплопередаче (или, как его часто именуют, термическое сопротивление) латинской буквой R. Если «плясать» от коэффициента теплопроводности, то определяется оно по следующей формуле.

R = h/λ

R — сопротивление теплопередаче однослойной однородной ограждающей конструкции, м²×℃/Вт;

h — толщина этого слоя, выраженная в метрах;

λ — коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлена эта ограждающая конструкция, Вт/(м×℃).

Очень часто в строительстве используются многослойные конструкции. В том числе одним из слоев нередко выступает утеплительный материал с очень низким коэффициентом теплопроводности – специально, чтобы максимально повысить значение термического сопротивления. Дело в том, что общее значение суммируется из сопротивлений всех слоев, составляющих ограждающую конструкцию. И к ним добавляется сопротивление приграничных слоев воздуха на внешней и внутренней поверхностях конструкции.

Формула сопротивления перегородки с n-слоев будет такой:

Rsum = R₁ + R₂ + …+Rn + Rai + Rao

Rsum— суммарное термическое сопротивление ограждающей конструкции;

R₁ … Rn— сопротивления слоев, от 1 до n;

Rai— сопротивление пристенного слоя воздуха внутри;

Rao— сопротивление пристенного слоя воздуха снаружи.

Для каждого из слоев сопротивление рассчитывается отдельно, исходя из коэффициента теплопроводности материала и толщины.

Есть специальная методика расчета и коэффициентов воздушных прослоек вдоль стены снаружи и внутри. Но для упрощенных расчётов их вполне можно взять равными суммарно 0,16 м²×℃/Вт – большой погрешности не будет.

Кстати, если в конструкции перегородки предусмотрена воздушная полость, не сообщающаяся с внешним воздухом, то она тоже дает весомую добавку к общему сопротивлению теплопередаче. Значения сопротивления теплопередаче воздушных изолированных прослоек показаны в таблице ниже:

Таблица термических сопротивлений замкнутых воздушных прослоек

Если не дотягивает – надо принимать меры, усиливать термоизоляцию, чтобы минимизировать потери тепла. И, стало быть, решить обратную задачу. То есть с использованием той же формулы (сопротивление от коэффициента теплопроводности и толщины) найти ту толщину утепления, которая восполнит имеющийся «дефицит» до нормы.

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

Ну а если термоизоляции пока нет, то тут и вовсе все просто. Тогда потребуется определить, какой слой выбранного утеплительного материала обеспечит выход на нормированное значение сопротивления теплопередаче.

Определение уровня тепловых потерь

Еще одна важная задача – это определение величины тепловых потерь через ограждающую конструкцию. Такие вычисления бывают необходимы когда, например, определяется требуемая мощность системы отопления. Как по помещениям — для правильной расстановки обогревательных приборов (радиаторов), так и общая — для выбора оптимальной модели котла.

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

Дело в том, что это сопротивление описывается еще одной формулой, уже от разницы температур и количества тепла, уходящего через ограждающую конструкцию площадью один квадратный метр.

R = Δt / q

Δt — разница температур по обе стороны конструкции, ℃.

q — удельное количество теряемого тепла, Вт.

То есть если известна площадь ограждающей конструкции и ее термическое сопротивление (определенное, например, через толщину и коэффициент теплопроводности), если известно, для каких условий производится расчет (например, нормальная температура в помещении и самые сильные морозы, присущие данной местности), то можно спрогнозировать и тепловые потери через эту конструкцию.

Q = S × Δt/R

Q — теплопотери через ограждающую конструкцию, Вт.

S — площадь этой конструкции, м².

Такие расчеты в помещении проводятся для всех ограждающих конструкций, контактирующих с холодом, и затем определяется суммарные потери, которые должны компенсироваться системой отопления. Или, если эти потери получаются слишком большими – это становится побудительным мотивом к усовершенствованию системы термоизоляции – что-то с ней не так.

Еще одна ремарка. Это мы говорили о конструкциях, состоящих из нескольких слоев разных строительных и утеплительных материалов. А как быть с окнами? Как для них просчитывается сопротивление теплопередаче?

Методика здесь – несколько иная, и самостоятельно заниматься такими расчетами вряд ли имеет смысл. Можно воспользоваться таблицей, в которой уже имеются готовые значения сопротивления для различных типов конструкций окон.

Таблица приведенных значений сопротивления теплопередаче для окон, остекленных балконных дверей, световых проемов (фонарей)

Понятно, что тепловые потери будут считаться, исходя из площади остекления и разницы температур.

Надо заметить, что профессиональные теплотехнические расчеты учитывают еще и множество различных поправочных коэффициентов, в том числе на инсоляцию (воздействие солнечных лучей), светопоглощающие и отражающие свойства поверхностей, неоднородность конструкций и другие. Но для самостоятельной первичной оценки достаточно и того алгоритма, что приведен выше.

Для любителей же более обстоятельного подхода можно порекомендовать следующий видеосюжет:

Видео: Алгоритмы профессионального расчета сопротивления теплопередаче стен

Мы же завершим публикацию онлайн-калькулятором, который вполне позволяет на бытовом уровне решить ряд задач, о которых шла речь выше.

Источник