Коэффициенты теплопроводности: Теплопроводность строительных материалов — основные понятия, табличные значения, расчеты

Теплопроводность — Википедия

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому 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.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

Закон теплопроводности Фурье

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

q → = − ϰ g r a d ( T ) , {\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}

где q → {\displaystyle {\vec {q}}}  — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ {\displaystyle \varkappa }  — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T {\displaystyle T}  — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору g r a d ( T ) {\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как

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

P = − ϰ S Δ T l , {\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} [Вт/(м·К) · (м ²·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

где P {\displaystyle P}  — полная мощность тепловых потерь, S {\displaystyle S}  — площадь сечения параллелепипеда, Δ T {\displaystyle \Delta T}  — перепад температур граней, l {\displaystyle l}  — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ {\displaystyle \varkappa } с удельной электрической проводимостью σ {\displaystyle \sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰ σ = π 2 3 ( k e ) 2 T , {\displaystyle {\frac {\varkappa }{\sigma }}={\frac {\pi ^{2}}{3}}\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}T,}

где k {\displaystyle k}  — постоянная Больцмана;

e {\displaystyle e}  — заряд электрона;

T {\displaystyle T}  — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле^[2]

ϰ ∼ 1 3 ρ c v λ v ¯ , {\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ {\displaystyle \rho }  — плотность газа, c v {\displaystyle c_{v}}  — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ {\displaystyle \lambda }  — средняя длина свободного пробега молекул газа, v ¯ {\displaystyle {\bar {v}}}  — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как^[3]

ϰ = i k 3 π 3 / 2 d 2 R T μ , {\displaystyle \varkappa ={\frac {ik}{3\pi ^{3/2}d^{2}}}{\sqrt {\frac {RT}{\mu }}},}

где i {\displaystyle i}  — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i = 5 {\displaystyle i=5} , для одноатомного i = 3 {\displaystyle i=3} ), k {\displaystyle k}  — постоянная Больцмана, μ {\displaystyle \mu }  — молярная масса, T {\displaystyle T}  — абсолютная температура, d {\displaystyle d}  — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R {\displaystyle 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 нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ ∼ 1 3 ρ c v l v ¯ ∝ P {\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}l{\bar {v}}\propto P} , где l {\displaystyle l}  — размер сосуда, P {\displaystyle P}  — давление.

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

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 неприменим 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^[4], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:^[5]

τ ∂ q ∂ t = − ( q + ϰ ∇ T ) . {\displaystyle \tau {\frac {\partial \mathbf {q} }{\partial t}}=-\left(\mathbf {q} +\varkappa \,\nabla T\right).}

Если время релаксации τ {\displaystyle \tau } пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

См. также

Ссылки

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.

Содержание статьи:

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:

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.