Коэффициент теплопроводности материалов | Онлайн-журнал о ремонте и дизайне
Содержание
- Что такое теплопроводность и термическое сопротивление
- Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов
- Таблица теплопроводности строительных материалов
- Как рассчитать толщину стен
- Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев
- Пример расчета толщины утеплителя
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 материала | Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C) | ||
---|---|---|---|
В сухом состоянии | При нормальной влажности | При повышенной влажности | |
Войлок шерстяной | 0,036-0,041 | 0,038-0,044 | 0,044-0,050 |
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3 | 0,036 | 0,042 | 0,,045 |
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3 | 0,035 | 0,041 | 0,044 |
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3 | 0,036 | 0,042 | 0,045 |
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3 | 0,037 | 0,043 | 0,0456 |
Каменная минеральная вата 180 кг/м3 | 0,038 | 0,045 | 0,048 |
Стекловата 15 кг/м3 | 0,046 | 0,049 | 0,055 |
Стекловата 17 кг/м3 | 0,044 | 0,047 | 0,053 |
Стекловата 20 кг/м3 | 0,04 | 0,043 | 0,048 |
Стекловата 30 кг/м3 | 0,04 | 0,042 | 0,046 |
Стекловата 35 кг/м3 | 0,039 | 0,041 | 0,046 |
Стекловата 45 кг/м3 | 0,039 | 0,041 | 0,045 |
Стекловата 60 кг/м3 | 0,038 | 0,040 | 0,045 |
Стекловата 75 кг/м3 | 0,04 | 0,042 | 0,047 |
Стекловата 85 кг/м3 | 0,044 | 0,046 | 0,050 |
Пенополистирол (пенопласт, ППС) | 0,036-0,041 | 0,038-0,044 | 0,044-0,050 |
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS) | 0,029 | 0,030 | 0,031 |
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,22 | 0,26 |
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3 | 0,11 | 0,14 | 0,15 |
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3 | 0,15 | 0,28 | 0,34 |
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3 | 0,13 | 0,22 | 0,28 |
Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м3 | 0,043-0,06 | ||
Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м3 | 0,06-0,063 | ||
Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м3 | 0,066-0,073 | ||
Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м3 | 0,085-0,1 | ||
Пеноблок 100 — 120 кг/м3 | 0,043-0,045 | ||
Пеноблок 121- 170 кг/м3 | 0,05-0,062 | ||
Пеноблок 171 — 220 кг/м3 | 0,057-0,063 | ||
Пеноблок 221 — 270 кг/м3 | 0,073 | ||
Эковата | 0,037-0,042 | ||
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3 | 0,029 | 0,031 | 0,05 |
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3 | 0,035 | 0,036 | 0,041 |
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3 | 0,041 | 0,042 | 0,04 |
Пенополиэтилен сшитый | 0,031-0,038 | ||
Вакуум | |||
Воздух +27°C. 1 атм | 0,026 | ||
Ксенон | 0,0057 | ||
Аргон | 0,0177 | ||
Аэрогель (Aspen aerogels) | 0,014-0,021 | ||
Шлаковата | 0,05 | ||
Вермикулит | 0,064-0,074 | ||
Вспененный каучук | 0,033 | ||
Пробка листы 220 кг/м3 | 0,035 | ||
Пробка листы 260 кг/м3 | 0,05 | ||
Базальтовые маты, холсты | 0,03-0,04 | ||
Пакля | 0,05 | ||
Перлит, 200 кг/м3 | 0,05 | ||
Перлит вспученный, 100 кг/м3 | 0,06 | ||
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3 | 0,054 | ||
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3 | 0,052-0,145 | ||
Пробка гранулированная, 45 кг/м3 | 0,038 | ||
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3 | 0,076-0,096 | ||
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3 | 0,078 | ||
Пробка техническая, 50 кг/м3 | 0,037 |
Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50. 13330.2019, 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 состоянии | при нормальной влажности | при повышенной влажности | |
ЦПР (цементно-песчаный раствор) | 0,58 | 0,76 | 0,93 |
Известково-песчаный раствор | 0,47 | 0,7 | 0,81 |
Гипсовая штукатурка | 0,25 | ||
Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,22 | 0,26 |
Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3 | 0,21 | 0,33 | 0,37 |
Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3 | 0,29 | 0,38 | 0,43 |
Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м3 | 0,15 | 0,28 | 0,34 |
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3 | 0,23 | 0,39 | 0,45 |
Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3 | 0,31 | 0,48 | 0,55 |
Оконное стекло | 0,76 | ||
Арболит | 0,07-0,17 | ||
Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м3 | 1,51 | ||
Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м3 | 0,15-0,44 | ||
Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м3 | 0,35-0,58 | ||
Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м3 | 0,56 | ||
Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м3 | 0,9-1,5 | ||
Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м3 | 0,3-0,7 | ||
Керамическийй блок поризованный | 0,2 | ||
Вермикулитобетон, 300-800 кг/м3 | 0,08-0,21 | ||
Керамзитобетон, 500 кг/м3 | 0,14 | ||
Керамзитобетон, 600 кг/м3 | 0,16 | ||
Керамзитобетон, 800 кг/м3 | 0,21 | ||
Керамзитобетон, 1000 кг/м3 | 0,27 | ||
Керамзитобетон, 1200 кг/м3 | 0,36 | ||
Керамзитобетон, 1400 кг/м3 | 0,47 | ||
Керамзитобетон, 1600 кг/м3 | 0,58 | ||
Керамзитобетон, 1800 кг/м3 | 0,66 | ||
ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР | 0,56 | 0,7 | 0,81 |
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3) | 0,35 | 0,47 | 0,52 |
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3) | 0,41 | 0,52 | 0,58 |
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3) | 0,47 | 0,58 | 0,64 |
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3) | 0,7 | 0,76 | 0,87 |
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот | 0,64 | 0,7 | 0,81 |
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот | 0,52 | 0,64 | 0,76 |
Известняк 1400 кг/м3 | 0,49 | 0,56 | 0,58 |
Известняк 1+600 кг/м3 | 0,58 | 0,73 | 0,81 |
Известняк 1800 кг/м3 | 0,7 | 0,93 | 1,05 |
Известняк 2000 кг/м3 | 0,93 | 1,16 | 1,28 |
Песок строительный, 1600 кг/м3 | 0,35 | ||
Гранит | 3,49 | ||
Мрамор | 2,91 | ||
Керамзит, гравий, 250 кг/м3 | 0,1 | 0,11 | 0,12 |
Керамзит, гравий, 300 кг/м3 | 0,108 | 0,12 | 0,13 |
Керамзит, гравий, 350 кг/м3 | 0,115-0,12 | 0,125 | 0,14 |
Керамзит, гравий, 400 кг/м3 | 0,12 | 0,13 | 0,145 |
Керамзит, гравий, 450 кг/м3 | 0,13 | 0,14 | 0,155 |
Керамзит, гравий, 500 кг/м3 | 0,14 | 0,15 | 0,165 |
Керамзит, гравий, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,17 | 0,19 |
Керамзит, гравий, 800 кг/м3 | 0,18 | ||
Гипсовые плиты, 1100 кг/м3 | 0,35 | 0,50 | 0,56 |
Гипсовые плиты, 1350 кг/м3 | 0,23 | 0,35 | 0,41 |
Глина, 1600-2900 кг/м3 | 0,7-0,9 | ||
Глина огнеупорная, 1800 кг/м3 | 1,4 | ||
Керамзит, 200-800 кг/м3 | 0,1-0,18 | ||
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м3 | 0,23-0,41 | ||
Керамзитобетон, 500-1800 кг/м3 | 0,16-0,66 | ||
Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3 | 0,22-0,28 | ||
Кирпич клинкерный, 1800 — 2000 кг/м3 | 0,8-0,16 | ||
Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м3 | 0,93 | ||
Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м3 | 1,35 | ||
Листы гипсокартона, 800 кг/м3 | 0,15 | 0,19 | 0,21 |
Листы гипсокартона, 1050 кг/м3 | 0,15 | 0,34 | 0,36 |
Фанера клеенная | 0,12 | 0,15 | 0,18 |
ДВП, ДСП, 200 кг/м3 | 0,06 | 0,07 | 0,08 |
ДВП, ДСП, 400 кг/м3 | 0,08 | 0,11 | 0,13 |
ДВП, ДСП, 600 кг/м3 | 0,11 | 0,13 | 0,16 |
ДВП, ДСП, 800 кг/м3 | 0,13 | 0,19 | 0,23 |
ДВП, ДСП, 1000 кг/м3 | 0,15 | 0,23 | 0,29 |
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м3 | 0,33 | ||
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м3 | 0,38 | ||
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м3 | 0,2 | 0,29 | 0,29 |
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м3 | 0,29 | 0,35 | 0,35 |
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м3 | 0,35 | ||
Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м3 | 0,23-0,35 | ||
Ковровое покрытие, 630 кг/м3 | 0,2 | ||
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3 | 0,16 | ||
Полистиролбетон, 200-500 кг/м3 | 0,075-0,085 | ||
Ракушечник, 1000-1800 кг/м3 | 0,27-0,63 | ||
Стеклопластик, 1800 кг/м3 | 0,23 | ||
Черепица бетонная, 2100 кг/м3 | 1,1 | ||
Черепица керамическая, 1900 кг/м3 | 0,85 | ||
Черепица ПВХ, 2000 кг/м3 | 0,85 | ||
Известковая штукатурка, 1600 кг/м3 | 0,7 | ||
Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м3 | 1,2 |
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.
Наименование | Коэффициент теплопроводности | ||
---|---|---|---|
В сухом состоянии | При нормальной влажности | При повышенной влажности | |
Сосна, ель поперек волокон | 0,09 | 0,14 | 0,18 |
Сосна, ель вдоль волокон | 0,18 | 0,29 | 0,35 |
Дуб вдоль волокон | 0,23 | 0,35 | 0,41 |
Дуб поперек волокон | 0,10 | 0,18 | 0,23 |
Пробковое дерево | 0,035 | ||
Береза | 0,15 | ||
Кедр | 0,095 | ||
Каучук натуральный | 0,18 | ||
Клен | 0,19 | ||
Липа (15% влажности) | 0,15 | ||
Лиственница | 0,13 | ||
Опилки | 0,07-0,093 | ||
Пакля | 0,05 | ||
Паркет дубовый | 0,42 | ||
Паркет штучный | 0,23 | ||
Паркет щитовой | 0,17 | ||
Пихта | 0,1-0,26 | ||
Тополь | 0,17 |
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.
Название | Коэффициент теплопроводности | Название | Коэффициент теплопроводности | |
---|---|---|---|---|
Бронза | 22-105 | Алюминий | 202-236 | |
Медь | 282-390 | Латунь | 97-111 | |
Серебро | 429 | Железо | 92 | |
Олово | 67 | Сталь | 47 | |
Золото | 318 |
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 ограждающих
конструкций 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.
- 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.
- 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
- 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.
Коэффициент теплопроводности материалов таблица, формулы
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
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).
Содержание
- Как рассчитать теплопроводность по закону Фурье
- Электропроводность и коэффициент теплопередачи
- Коэффициент теплопроводности газовой среды
- Теплопроводимость в газовой разреженной среде
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
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
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
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
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
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:
Основа | Значение теплопроводности, Вт/(м•К) |
Жесткий графен | 4840 +/– 440 – 5300 +/– 480 |
Алмаз | 1001-2600 |
Графит | 278,4-2435 |
Бора арсенид | 200-2000 |
SiC | 490 |
Ag | 430 |
Cu | 401 |
BeO | 370 |
Au | 320 |
Al | 202-236 |
AlN | 200 |
BN | 180 |
Si | 150 |
Cu3Zn2 | 97-111 |
Cr | 107 |
Fe | 92 |
Pt | 70 |
Sn | 67 |
ZnO | 54 |
Черная сталь | 47-58 |
Pb | 35,3 |
Нержавейка | Теплопроводность стали – 15 |
SiO2 | 8 |
Высококачественные термостойкие пасты | 5-12 |
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 заполнителей | 1,75 |
Бетонный раствор со щебнем или с гравием | 1,51 |
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-8 | 0,7 |
Бетонный раствор с наполнителем из песка, без щебня или гравия | 0,7 |
Вода чистая | 0,6 |
Силикатный или красный кирпич | 0,2-0,7 |
Масла на основе силикона | 0,16 |
Пенобетон | 0,05-0,3 |
Газобетон | 0,1-0,3 |
Дерево | Теплопроводность дерева – 0,15 |
Масла на основе нефти | 0,125 |
Снег | 0,10-0,15 |
ПП с группой горючести Г1 | 0,039-0,051 |
ЭППУ с группой горючести Г3, Г4 | 0,03-0,033 |
Стеклянная вата | 0,032-0,041 |
Вата каменная | 0,035-0,04 |
Воздушная атмосфера (300 К, 100 кПа) | 0,022 |
Гель на основе воздуха | 0,017 |
Аргон (Ar) | 0,017 |
Вакуумная среда | 0 |
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
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
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:
Стройматериалы | Коэффициент теплопроводимости, Вт/(м2•К) |
Плиты из алебастра | 0,47 |
Al | 230 |
Шифер асбоцементный | 0,35 |
Асбест (волокно, ткань) | 0,15 |
Асбоцемент | 1,76 |
Асбоцементные изделия | 0,35 |
Асфальт | 0,73 |
Асфальт для напольного покрытия | 0,84 |
Бакелит | 0,24 |
Бетон с заполнителем щебнем | 1,3 |
Бетон с заполнителем песком | 0,7 |
Пористый бетон – пено- и газобетон | 1,4 |
Сплошной бетон | 1,75 |
Термоизоляционный бетон | 0,18 |
Битумная масса | 0,47 |
Бумажные материалы | 0,14 |
Рыхлая минвата | 0,046 |
Тяжелая минвата | 0,05 |
Вата – теплоизолятор на основе хлопка | 0,05 |
Вермикулит в плитах или листах | 0,1 |
Войлок | 0,046 |
Гипс | 0,35 |
Глиноземы | 2,33 |
Гравийный заполнитель | 0,93 |
Гранитный или базальтовый заполнитель | 3,5 |
Влажный грунт, 10% | 1,75 |
Влажный грунт, 20% | 2,1 |
Песчаники | 1,16 |
Сухая почва | 0,4 |
Уплотненный грунт | 1,05 |
Гудроновая масса | 0,3 |
Доска строительная | 0,15 |
Фанерные листы | 0,15 |
Твердые породы дерева | 0,2 |
ДСП | 0,2 |
Дюралюминиевые изделия | 160 |
Железобетонные изделия | 1,72 |
Зола | 0,15 |
Известняковые блоки | 1,71 |
Раствор на песке и извести | 0,87 |
Смола вспененная | 0,037 |
Природный камень | 1,4 |
Картонные листы из нескольких слоев | 0,14 |
Каучук пористый | 0,035 |
Каучук | 0,042 |
Каучук с фтором | 0,053 |
Керамзитобетонные блоки | 0,22 |
Красный кирпич | 0,13 |
Пустотелый кирпич | 0,44 |
Полнотелый кирпич | 0,81 |
Сплошной кирпич | 0,67 |
Шлакокирпич | 0,58 |
Плиты на основе кремнезема | 0,07 |
Латунные изделия | 110 |
Лед при температуре 00С | 2,21 |
Лед при температуре -200С | 2,44 |
Лиственное дерево при влажности 15% | 0,15 |
Медные изделия | 380 |
Мипора | 0,086 |
Опилки для засыпки | 0,096 |
Сухие опилки | 0,064 |
ПВХ | 0,19 |
Пенобетон | 0,3 |
Пенопласт марки ПС-1 | 0,036 |
Пенопласт марки ПС-4 | 0,04 |
Пенопласт марки ПХВ-1 | 0,05 |
Пенопласт марки ФРП | 0,044 |
ППУ марки ПС-Б | 0,04 |
ППУ марки ПС-БС | 0,04 |
Лист из пенополиуретана | 0,034 |
Панель из пенополиуретана | 0,024 |
Облегченное пеностекло | 0,06 |
Тяжелое вспененное стекло | 0,08 |
Пергаминовые изделия | 0,16 |
Перлитовые изделия | 0,051 |
Плиты на цементе и перлите | 0,085 |
Влажный песок 0% | 0,33 |
Влажный песок 0% | 0,97 |
Влажный песок 20% | 1,33 |
Обожженный камень | 1,52 |
Керамическая плитка | 1,03 |
Плитка марки ПМТБ-2 | 0,035 |
Полистирол | 0,081 |
Поролон | 0,04 |
Раствор на основе цемента без песка | 0,47 |
Плита из натуральной пробки | 0,042 |
Легкие листы из натуральной пробки | 0,034 |
Тяжелые листы из натуральной пробки | 0,05 |
Резиновые изделия | 0,15 |
Рубероид | 0,17 |
Сланец | 2,100 |
Снег | 1,5 |
Хвойная древесина влажностью 15% | 0,15 |
Хвойная смолистая древесина влажностью 15% | 0,23 |
Стальные изделия | 52 |
Стеклянные изделия | 1,15 |
Утеплитель стекловата | 0,05 |
Стекловолоконные утеплители | 0,034 |
Стеклотекстолитовые изделия | 0,31 |
Стружка | 0,13 |
Тефлоновое покрытие | 0,26 |
Толь | 0,24 |
Плита на основе цементного раствора | 1,93 |
Цементно-песчаный раствор | 1,24 |
Чугунные изделия | 57 |
Шлак в гранулах | 0,14 |
Шлак зольный | 0,3 |
Шлакобетонные блоки | 0,65 |
Сухие штукатурные смеси | 0,22 |
Штукатурный раствор на основе цемента | 0,95 |
Эбонитовые изделия | 0,15 |
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.
4.3: Теплопроводность — Физика LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 7230
- Джереми Татум
- Университет Виктории
На рис. IV.1 показан поток тепла со скоростью dQ/dt вдоль стержня из материала с площадью поперечного сечения A . По длине стержня существует градиент температуры (поэтому по нему стекает тепло). На расстоянии x от конца стержня температура T ; на расстоянии х + δ х это Т + δ Т . Обратите внимание, что если тепло течет в положительном направлении, как показано, δ T должен быть отрицательным. То есть холоднее ближе к правому концу стержня. Градиент температуры dT/dx отрицательный. Тепло течет в направлении, противоположном градиенту температуры.
Отношение скорости теплового потока на единицу площади к отрицательному градиенту температуры называется теплопроводностью материала:
\[ \frac{dQ}{dt} = -KA \frac{dT}{dx}.\]
Я использую символ K для теплопроводности. Часто встречаются и другие символы: k или λ. Его единица СИ — Вт м -1 К -1 .
Я определил его в одномерной ситуации и для изотропной среды, когда поток тепла противоположен градиенту температуры. Можно представить, что в анизотропной среде скорость теплового потока и градиент температуры могут быть различными параллельно разным кристаллографическим осям. В этом случае тепловой поток и градиент температуры могут не быть строго антипараллельными, а теплопроводность является тензорной величиной. Такая ситуация не будет касаться нас в этой главе.
Если в нашем одномерном примере нет выхода тепла со сторон стержня, то скорость потока тепла вдоль стержня должна быть одинаковой на всем протяжении стержня, а значит, градиент температуры равномерен по длине провода. Возможно, проще представить отсутствие потерь тепла с боков, чем добиться этого на практике. Если бы стержень находился в вакууме, не было бы потерь на проводимость или конвекцию, а если бы стержень был очень блестящим, потери на излучение были бы незначительными.
Значения порядка величины теплопроводности обычных веществ:
Воздух 0,03 Вт·м −1 K −1
Вода 0,6
Стекло 0,8
Fe 80
Ал 240
Медь 400
Легко представить себе, как тепло может передаваться по твердому телу, при этом колебания атомов на одном конце твердого тела передаются следующим атомам за счет того, что один атом подталкивает другой, и так далее. Однако из таблицы видно и во всяком случае общеизвестно, что одни вещества (металлы) проводят тепло гораздо лучше, чем другие. Действительно, среди металлов существует тесная корреляция между теплопроводностью и электропроводностью (при данной температуре). Это говорит о том, что механизм теплопроводности металлов такой же, как и электропроводности. Тепло в металле переносится в основном электронами.
Было бы интересно найти в Интернете или других ссылках тепло- и электропроводность ряда металлов. Можно обнаружить, что теплопроводность, K , иногда указывается в незнакомых «практичных» единицах, таких как БТЕ в час на квадратный фут для температурного градиента 1 F° на дюйм, и переводя их в единицы СИ Вт·м·м. −1 K −1 может оказаться сложной задачей. Электрическая проводимость σ несколько уменьшается с повышением температуры (как и теплопроводность, но в меньшей степени), поэтому было бы важно найти их все при одной и той же температуре. Тогда вы могли бы увидеть, соответствует ли отношение 9{-1}. \]
Здесь k — постоянная Больцмана, а e — заряд электрона. Было обнаружено, что это предсказание хорошо выполняется при комнатной температуре и выше, но при низких температурах электропроводность быстро увеличивается с понижением температуры, и отношение начинает падать значительно ниже значения, предсказанного уравнением 4.2.2, приближаясь к нулю при 0 K.
Читатель может быть знаком со следующими терминами в области электричества
Проводимость σ
Проводимость G
Удельное сопротивление ρ
Сопротивление Р
Они связаны соотношением G = 1/ R , σ = 1/ρ, R = ρ l / A , G = σ A / l 2,
, где l и A — длина и площадь поперечного сечения проводника. Читатель, вероятно, также знает, что сопротивления складываются последовательно, а проводимости — параллельно. Мы можем определить некоторые аналогичные величины, связанные с тепловым потоком. Таким образом, удельное сопротивление обратно пропорционально проводимости, сопротивление равно л/л -кратное удельное сопротивление, проводимость А/л -кратная проводимость и так далее. Эти понятия могут оказаться полезными в следующем жанре задач, любимых экзаменаторами.
Комната имеет стены области A 1 , толщина D 1 , Теплопроводность K 1 , дверь A 2 , дверь A 2 , a Door Diste A . теплопроводность К 2 , а окно площадью A 3 , толщина D 3 , Теплопроводность K 3 , температура внутри T 1 и температура за пределами T 1 и температура за пределами T 1 и температура за пределами T 1 . Какова скорость потери тепла из помещения?
У нас есть три проводимости параллельно: \( \frac{K_1 A_1}{d_1},~ \frac{K_2 A_2}{d_2},\), и \( \frac{K_3 A_3}{d_3}\), и так что у нас есть
\[ \frac{dQ}{dt} = \left( \frac{K_1 A_1}{d_1} + \frac{K_2 A_2}{d_2} + \frac{K_3 A_3}{d_3} \right) (T_2 — Т_1 ). \]
Конечно, проблема не обязательно должна быть именно такой. Возможно, вам дали скорость теплопотерь и попросили найти площадь окна. Но вы уловили общую идею и, вероятно, можете сами придумать несколько примеров. Скорость теплового потока аналогична току, а разница температур подобна ЭДС батареи.
Эта страница под названием 4.3: Теплопроводность распространяется в соответствии с лицензией CC BY-NC, автором, ремиксом и/или куратором этой страницы является Джереми Татум.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Джереми Татум
- Лицензия
- CC BY-NC
- Показать ТОС
- нет
- Теги
Теплопроводность
Теплопроводность
*Большинство из Юнга, Хью Д., Университетская физика, 7-е изд. Таблица 15-5. Значения для аэрогеля алмаза и кремнезема из CRC Handbook of Chemistry and Physics. Обратите внимание, что 1 (кал/сек)/(см 2 Кл/см) = 419 Вт/м·К. Имея это в виду, два приведенных выше столбца не всегда совпадают. Все значения взяты из опубликованных таблиц, но не могут считаться достоверными. Значение 0,02 Вт/мК для полиуретана можно принять за номинальную цифру, которая делает пенополиуретан одним из лучших изоляторов. NIST опубликовал процедуру числового приближения для расчета теплопроводности полиуретана на http://cryogenics.nist.gov/NewFiles/Polyurethan.html. Их расчет для наполненного фреоном полиуретана плотностью 1,99 фунт/фут 3 при 20°C дает теплопроводность 0,022 Вт/мК. Расчет для CO 2 наполненный полиуретан плотностью 2,00 фунт/фут 3 дает 0,035 Вт/мК.
| Индекс Таблицы Справочные материалы | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Гиперфизика***** Термодинамика | Назад |
Соотношение между теплопроводностью и электропроводностью металлов можно выразить соотношением: , которое можно назвать отношением Видемана-Франца или постоянной Лоренца.
|