Теплопроводность

В твердых телах и в жидкостях энергия переносится волнами, в газах — диффузией атомов и молекул, а в металлах — диффузией электронов. Подавляющее большинство строительных материалов представляет собой пористые тела, в порах которых возможны все виды теплопередачи; однако при теплотехнических расчетах можно считать, что распространение теплоты в материалах происходит лишь по законам теплопроводности.
    Конвекция может быть лишь в жидкой и газообразной средах. Конвекция представляет собой перенос теплоты движущимися частицами жидкости или газа. Различают два вида конвекции: естественную, при которой движение частиц среды обуславливается разностью температур, и вынужденную, при которой движение частиц вызывается внешними воздействиями (перемешивание среды, продувание вентилятором и т.д.)
    Излучение происходит в газообразной среде переносом энергии в виде электромагнитных волн. При этом происходит двойное превращение энергии: тепловой в лучистую на поверхности тела, излучающего теплоту, и лучистой в тепловую на поверхность тела, поглощающего лучистую теплоту.
    При передаче теплоты через ограждающие конструкции зданий теплопередача осуществляется главным образом теплопроводностью. Теплопередача конвекцией и излучением происходит в воздушных прослойках, а также у поверхностей, отделяющих конструкцию от внутреннего и наружного воздуха.

Конвекция.
    При обмене теплоты между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела одновременно с конвекцией происходит и передача теплоты теплопроводностью в жидкой или газообразной среде. Совместное воздействие конвекции и теплопроводности носит название «конвективного обмена».
    При конвекции передача теплоты связана с молярным переносом жидкости или газа, что сильно усложняет явление этого вида теплопередачи. Количество теплоты,  передаваемой конвекцией, зависит от плотности, температуры, величины температурного перепада в жидкости или газе, а так же состояния поверхности твердого тела.
Тепловой поток Q.
Q=akF(tb – tp)
ak коэффициент теплопередачи конвекцией Вт/(м2*С)
F – площадь поверхности твердого тела М2
tb – температура жидкости или газа С
tp – температура поверхности  С

Излучение.
    При нагревании какого-либо тела часть тепловой энергии превращается на его поверхности в энергию лучистую. Излучение теплоты поверхностью тела аналогично световому излучению и отличается от него длиной волн. Законы распространения, отражения и преломления, установленные для видимых световых лучей, справедливы и для тепловых.  
    Если на поверхность тела падает некоторое кол-во лучистой теплоты, то в общем случае часть его поглощается телом и нагревает его, часть отражается, а часть проходит сквозь тело. Чем больше лучистой теплоты поглощается телом, тем больше теплоты оно и излучает.



Теплотехнические свойства строительных материалов

1. Пористость и плотность
    Подавляющее большинство строительных материалов — пористые тела.
Пористость р, %, определяет процентное отношение содержания пор в материале и выражается процентным соотношением объема пор к общему объему материала.
    Плотность материала g, кг/м3, характеризуется массой в килограммах 1 м3 материала в том состоянии, в каком он будет применяться в строительстве. Плотность зависит от пористости материала, а для сыпучих материалов — еще и от степени их уплотнения. Плотность входит в выражение коэффициента теплопроводности.

2. Влажность
    Влажность характеризуется наличием в материале воды. Влажность оказывает большое влияние на теплопроводность и теплоемкость материала, а также имеет большое значение для оценки влажностного режима ограждений. Влажность можно выражать в массовом отношении - «влажность по массе», или в объемном - «объемная влажность». w
Масса влаги в материале, к массе образца в сухом состоянии — ВЛАЖНОСТЬ ПО МАССЕ.
Объем влаги в материале, к объему образца в сухом состоянии - ВЛАЖНОСТЬ ПО ОБЪЕМУ.
    В ограждающих конструкциях строительный материал некогда не бывает в абсолютно сухом состоянии, а имеет некоторую влажность вследствие процессов сорбции и конденсации водного пара. Влажность, которую будет иметь материал в правильно спроектированном и нормально эксплуатируемом ограждении, называется «нормальной влажностью».
2. Теплопроводность
    Теплопроводность — это способность материала проводить тепло через свою массу. Степень теплопроводности материала характеризуется величиной его коэффициента теплопроводности l.  Величина коэффициента теплопроводности для одного и того же материала не является величиной постоянной. Она изменяется в зависимости от плотности, влажности, температуры и направления теплового потока. С увеличением плотности  коэффициент теплопроводности материала возрастает и, наоборот, при уменьшении плотности коэффициент теплопроводности уменьшается. Например,
кирпич красный обожженный плотность 1800 кг/м3 коэффициент теплопроводности 0,77
кирпич красный обожженный плотность 1400 кг/м3 коэффициент теплопроводности 0,52
кирпич красный обожженный плотность 800 кг/м3 высокопористый коэфф. тепл-сти 0,29
    Эта зависимость происходит вследствие того, что всякий строительный материал состоит из основного вещества — скелета (кварца, глины, кальцита и т.п.) и воздуха, находящегося в порах. При этом коэффициент теплопроводности воздуха, содержащегося в порах материала, имеет очень незначительную величину, зависящую от размеров и формы пор. Например, l.=0,024 Вт/(м2*С) при размере пор 0,1 мм и l.=0,031 Вт/(м2*С) при размере пор 2 мм.
    Единой зависимости для всех материалов между теплопроводностью материала и его плотностью не существует, т.к. на величину коэффициента теплопроводности оказывает влияние, кроме пористости,  размеры пор и структура материала. При одинаковой пористости величина l.  будет тем больше, чем крупнее поры материала, т.к. с увеличением размера пор повышается коэффициент теплопроводности воздуха, заключенного в порах.
Например, пенобетон плотность 350 кг/м3 в зависимости от размера пор:
45 ячеек/см2 …...................................  l.=0,155 Вт/(м2*С)
125 ячеек/см2 ….................................. l.=0,116 Вт/(м2*С)
    На коэффициент теплопроводности влияет также величина контактных площадок между отдельными частицами материала. Кроме того, имеет значение, будут ли поры замкнутыми или сообщаться между собой. При сообщающихся порах в материале могут возникать конвекционные потоки воздуха, что приводит к увеличению коэффициента теплопроводности.
    Для сыпучих материалов коэффициент теплопроводности уменьшается с уменьшением плотности и величины их зерен. Чем мельче частицы сыпучего материала, тем меньше воздушные полости, разделяющие частицы, а следовательно, и меньше теплопроводность содержащегося в них воздуха; кроме того, по мере измельчения частиц уменьшается и плотность материала, и количество проводящего теплоту вещества.
    Например, увеличение размера зерен с 5 до 30 мм повышает коэффициент теплопроводности шлаковой засыпки на 36% при одинаковой плотности материала.  Следовательно, нельзя говорить о величине коэффициента теплопроводности материала, не указывая значения его плотности.

Влажность материала в значительной степени определяет его коэффициент теплопроводности. Повышение коэффициента теплопроводности материала с увеличением его влажности объясняется тем, что вода, находящаяся в порах материала имеет коэффициент теплопроводности l.=0,58 Вт/(м2*С), т.е. В 20 раз больший чем l  воздуха. Кроме того, влага в порах материала увеличивает размеры контактных площадок между частицами материала, что также повышает его коэффициент теплопроводности. Еще более резко возрастает коэффициент теплопроводности в том случае, если влажный материал промерзнет, т.к. лед имеет коэффициент теплопроводности   l.= 2,3 Вт/(м2*С),  т. е. В 4 раза больший, чем вода, и, следовательно, в 80 раз больший, чем воздух в порах материала.
    Установить общую математическую зависимость между теплопроводностью материала и его влажностью, одинаковую для всех строительных материалов, не представляется возможным, т.к. значительное влияние оказывает форма и расположение пор материала. Например, в интервале влажности 0-3% для кирпичной кладки из обожженного глиняного кирпича 1% увеличения влажности  повышает коэффициент теплопроводности кладки на 34%, а такое же увеличение влажности для керамзитобетона повышает коэффициент теплопроводности только на 8%. Нужно понимать, что повышение на 1% влажности для обожженного кирпича достигнуть оч. сложно.
    В физических лабораториях коэффициенты теплопроводности строительных материалов определяются на предварительно просушенных образцах. В наружных ограждениях строительные материалы всегда имеют некоторую влажность, повышающую их теплопроводность. Вследствие этого пользоваться для теплотехнических расчетов коэффициентами данными производителями, нельзя — эти коэффициенты необходимо увеличивать.
    Зависимость коэффициента теплопроводности материала от его температуры ничтожна. Но она такова. Коэффициент теплопроводности материала увеличивается с повышением его температуры. Это происходит в результате возрастания кинетической энергии молекул, т.е. увеличивается интенсивность передачи теплоты излучением.

     Зависимость коэффициента теплопроводности материала от направления теплового потока наблюдается у анизотропных материалов. Т.е. у материалов с направленными волокнами или направленной структурой. Например, у дерева в зависимости от направления теплового потока, меняется  коэффициент теплопроводности. При направлении, перпендикулярно волокнам, тепловому потоку приходится пересекать большое кол-во воздушных зазоров, поэтому теплопроводность меньше. При направлении теплового потока вдоль волокон, сопротивление воздуха, заключенного в древесине, будет значительно ниже.
    Выбор расчетных значений коэффициентов теплопроводности строительных материалов, является самой трудной и ответственной частью теплотехнических расчетов. В СНиП даются три значения коэффициента теплопроводности — для сухого состояния, для нормальной влажности и для повышенной влажности. Выбор  l 45;05BAO 2 7028A8<>AB8 >B >B=>A8B5;L=>9 2;06=>AB8 2>74CE0 2 ?><5I5=88 8 >B 2;06=>AB=>-:;8<0B8G5A:>9 E0@0:B5@8AB8:8 <5AB0 AB@>8B5;LAB20. -B> 7=0G8B5;L=> уточняет выбор расчетных величин коэффициентов теплопроводности.

Теплоемкость
    Теплоемкость — это свойство материалов поглощать теплоту при повышении температуры. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость материала с. Удельная теплоемкость показывает количество теплоты в Дж, которое необходимо сообщить 1 кг материала, чтобы повысить температуру всей его массы на 1гр.С. Дж/(КГ * грС)
    Удельная теплоемкость зависит от влажности. С повышением влажности материала повышается его теплоемкость, т.к. вода имеет теплоемкость значительно превышающую теплоемкость строительных материалов. Расчет теплоемкости строительных материалов необходимо производить исходя из его влажности.

Тепловое излучение
    Излучение есть свойство материала отдавать теплоту в окружающую среду в форме лучистой энергии. Интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры излучающей поверхности. Коэффициент излучения С  выражается количеством джоулей теплоты, излучаемой 1м2 поверхности материала в течении 1 секунды в пустоту при абсолютной температуре излучающей поверхности, равной 100 К (-273грС).