Теплопроводность и коэффициент теплопроводности. что это такое

Таблица теплопроводности материалов

Для стен, перекрытий, и полов используют разные материалы, но часто теплопроводность гипсокартона и других строительных материалов сравнивают с кирпичом. Его знают все, поэтому проводить аналогии с ним намного проще. Но для кирпичных стен надо выбрать теплоизоляцию, т.к. они обладают высокой теплопроводностью.

Строительные материалы

Коэффициент теплопроводности строительных материалов указан в таблице. В ней отражены нормативные показатели, демонстрирующие теплоизоляционные свойства.

Эти значения используют, если надо рассчитать:

• теплоизоляцию фасадов;
• общестроительную изоляцию;
• сколько понадобится изоляционных материалов при устройстве крыши;
• техническую изоляцию.

Такие простые вычисления уже в начале проектирования позволят определить более подходящие материалы и их количество.

Показатель теплопроводности металлов (железа, алюминия и пр.) тоже имеет значение в строительстве, например, при выборе батареи в помещение. Кроме этого, эти значения пригодятся в процессе сварки ответственных сооружений, производстве полупроводников и изоляторов разного типа. Таблица теплопроводности металлов поможет быстро найти нужное значение.

Таблица теплопроводности воздуха поможет правильно рассчитать показатель теплообмена. Все расчеты зависят от температуры окружающей среды.

Судя по данным из таблицы, с увеличением температуры показатель теплопроводности также растет.

Теплоизоляционные материалы

В основном надо учитывать показатель теплопроводности изоляционных материалов

Важно помнить, что если у металлов он зависит от температуры воздуха, то у утеплителей главную роль играет плотность.  По этой причине в таблице расставлены результаты с учетом плотности используемого материала

Перед тем, как сделать окончательный выбор, надо взять во внимание тот факт, что некоторые из представленных материалов при повышенной влажности значительно лучше проводят тепло. В случае, когда во время его использования существует вероятность наступления такой ситуации надолго, для расчета надо применять теплопроводность именно для такого состояния

Для чего рассчитывается теплопроводность

Коэффициент теплопередачи поможет рассчитать без ошибок толщину несущих стен с учетом утеплителей. Процент потери тепла в здании составляет:

• по 30% через кровлю и стены;
• 10% — сквозь полы;
• 20% приходится на окна и двери.

Внимание!

Утечка тепла происходит через несколько ограждающих конструкций в строящемся здании.

Иными словами, при неправильном расчете, жители такого дома будут использовать только 10% тепловой энергии, исходящей от радиаторов отопления.

Конструкционные материалы и их теплопроводность

Теплопроводность вещества зависит от его плотности. Чем больше плотность вещества, тем выше теплопроводность. С увеличением пористости понижается ее коэффициент.

Низкий коэффициент теплопроводности материала определяет его хорошие теплоизоляционные качества.

Бетон

• Плотность: 500 кг/м³–2 500 кг/м³. Показатель зависит от состава смеси.
• Теплопроводность: 1,28–1,51 Вт/м*К. Показатель меняется в зависимости от консистенции бетона.

Бетонная смесь используется для заливки монолитного фундамента, а бетонные блоки – для закладки фундамента и возведения стен.

Железобетон

• Плотность: 2 500 кг/м3; бетонная смесь без вибрирования (применения глубинного вибратора) – 2 400 кг/м3.
• Теплопроводность: 1,69 Вт/м*К.

Лёгкий бетон на пористых заполнителях называют ячеистым бетоном.

Используют в качестве конструкционного и теплоизоляционного материала. Самые распространённые строительные материалы из бетона на пористых заполнителях — газобетон, пенобетон, керамзитобетон.

Данные материалы применяются для возведения многоэтажных, частных домов и для дополнительных пристроек: бань, гаражей, сараев.

Керамзитобетон

Полнотелые керамзитобетонные блоки производятся с помощью вибропрессования. Не имеют пустот и отверстий. Часто используются для кладки несущих стен или закладки фундамента.

Пустотелые керамзитобетонные блоки делают с применением специальных форм, позволяющих при заливке смеси сформировать герметичные или сквозные пустоты.

Обладают меньшей прочностью по сравнению с полнотелыми керамзитобетонными блоками. Имеют меньшую теплопроводность, что делает их оптимальным материалом для возведения нетяжёлых конструкций с требуемой высокой теплоизоляцией.

• Плотность: 500 кг/м³–1 800 кг/м³.
• Теплопроводность: 0,14–0,66 Вт/м*К.

Газобетон

Изготавливается из газосиликата. С помощью специализированных газообразователей внутри блока формируют приблизительно сферические поры (пустоты), их диаметр 1–3 мм.

• Плотность: 300–800 кг/м3. Зависит от количества и размера пустот.
• Теплопроводность: 0,1–0,3 Вт/м*К.

Пенобетон

Изготавливается с применением пенообразующих добавок. Имеет пористую структуру.

• Плотность: 600–1 000 кг/м3.
• Теплопроводность: 0,1–0,38 Вт/м*К.

Изготавливается из глины и наполнителя.

• Плотность: 500 кг/м³–1 900 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,1–0,4 Вт/м*К.

Керамический кирпич

Изготавливается из обожжённой глины.

• Плотность: полнотелый – 1 600 кг/м³–1 900 кг/м³; пустотелый – 1 100 кг/м³–1 400 кг/м³;
• Теплопроводность: полнотелый – 0,56–0,86 Вт/м*К; пустотелый–0,35–0,41 Вт/м*К.

Изготавливается из песка и извести.

• Плотность: 1 100 кг/м³–1 900 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,81–0,87 Вт/м*К.

Дерево

• Плотность: 150 кг/м³–2 100 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,2–0,23 Вт/м*К.

Строительные конструкционные материалы, даже с низкой теплопроводностью, нуждаются в дополнительном утеплении.

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.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность – это процесс передачи энергии тепла от нагретых частей помещения к менее теплым. Такой обмен энергией будет происходить, пока температура не уравновесится. Применяя это правило к ограждающим системам дома, можно понять, что процесс теплопередачи определяется промежутком времени, за который происходит выравнивание температуры в комнатах с окружающей средой. Чем это время больше, тем теплопроводность материала, применяемого при строительстве, ниже.

Отсутствие теплоизоляции дома скажется на температуре воздуха внутри помещения

Для характеристики проводимости тепла материалами используют такое понятие, как коэффициент теплопроводности. Он показывает, какое количество тепла за одну единицу временного промежутка пройдет через одну единицу площади поверхности. Чем выше подобный показатель, тем сильнее теплообмен, значит, постройка будет остывать значительно быстрее. То есть при сооружении зданий, домов и прочих помещений необходимо использовать материалы, проводимость тепла которых минимальна.

Сравнительные характеристики теплопроводности и термического сопротивления стен, возведенных из кирпича и газобетонных блоков

Теплопроводность – что это такое

Теплопроводностью называется способность всех видов газов, жидкости или материалов передавать тепло. Это значит, что когда объект нагревается с одной стороны, он трансформируется в теплопроводник, т.к. передает свою энергию дальше. При охлаждении процесс происходит также.

Например, если во время приготовления пищи перемешивать продукты деревянной лопаткой, то изменений в температуре не последует. Но, если для этих целей использовать кухонную утварь из металла, то она быстро нагреется так, что держать ее станет в руке невозможно. Таких примеров теплопроводности привести можно немало.

Объяснение этого с точки зрения физики: тепловая энергия стремится от среды с высокой температурой к среде с низкой температурой. Причем ей требуется время, чтобы пройти через стройматериал. Чем больше его нужно, тем ниже скорость передачи тепла.

Внимание!

Если температура по обе стороны используемого материала одинаковая, то переход тепловой энергии не состоится.

Так,

• теплопроводность кирпича и стали составляет 0,56 и 58Вт/м●К соответственно;
• древесины – 0,09-0,1;
• песка – 0,35

Можно заметить, что не все материалы обладают одинаковой теплоэффективностью, это зависит от факторов:

1. Пористая структура свидетельствует о ее неоднородности и наличии воздуха в порах.
2. Структура пор – небольшие размеры и их замкнутость приводит к снижению теплового потока.
3. Плотность – чем она выше, тем больше коэффициент проводимости тепла.
4. Влажность – негативный фактор, который повышает скорость теплопередачи. Поэтому надо качественно произвести гидроизоляцию сооружения, правильно сделать вентиляцию и использовать влагоустойчивые стройматериалы.

Формула теплопроводности создана с учетом воздействия температуры на это свойство материала. Выглядит она так:

λ=λ0●(1+b●t), где

• λ0 — коэффициент теплопроводности при 0°С, измеряется который в Вт/м●℃;
• b – справочная величина температуры;
• t – непосредственно температура.

Коэффициент теплопроводности

Зачастую в паспорте стройматериалов указан коэффициент теплопроводности – единица измерения которого Вт/(м●℃). Она характеризует любой материал как проводник тепла. В формуле она определяется греческой буквой λ.

Внимание!

Часто в формулах можно увидеть не градусы по Цельсию, а по Кельвину, обозначающиеся как K. Суть от этого не меняется.

Данный коэффициент демонстрирует способность используемого материала передавать тепло на определенную дистанцию за время. При этом показатель определяет именно сырье, а его размеры значения не имеют.

Рассчитать коэффициент теплообмена можно для материала строительного и иного назначения. Например, коэффициент теплоотдачи стали использовать как теплоотвод или теплообменник. Но для больше части стройматериалов ситуация обратная – чем меньше этот показатель для стен, тем меньше тепла здание потеряет зимой.

Сопротивление теплопередаче

Коэффициент теплопередачи – это показатель, характеризующий используемый материал. Но, как показывает практика, лучше оперировать какой-то величиной, которая будет описывать теплопроводные способности определенного сооружения. Иными словами, учитываться должны особенности его строения и параметров.

Термическое сопротивление – это и есть такая величина. Можно считать, что она обратная коэффициенту теплопроводности и учитывающая толщину стройматериала. Для этого показателя существует следующее обозначение – R. Формула при этом выглядит следующим образом:

R = h/λ, где

• R — сопротивление теплопередаче однослойной однородной ограждающей конструкции, м²•℃/Вт;
• h — толщина этого слоя в метрах;
• λ — коэффициент теплопроводности материала конструкции, Вт/(м•℃).

Часто стены сооружают многослойными, один слой при этом – утеплитель с низким коэффициентом теплопроводности. Благодаря такому подходу нужный показатель повышается. Это связано с тем, что надо прибавить все слои сопротивления теплопередаче, из которых состоит ограждающая конструкция. Не стоит забывать и о суммировании приграничных слоев воздуха внутри и снаружи сооружения.

Нюансы применения утеплителей

Есть некоторые полезные рекомендации, которые можно учитывать при выборе утеплителя и последующем монтаже. Например, для пола и потолка, то есть горизонтальных поверхностей, вы можете использовать буквально любой материал. Но следует применять дополнительный слой, обладающий высокой механической прочностью – это обязательное условие.

 Ну а для стен (вертикальных поверхностей) нужно использовать материалы в виде плит или листов. Если вы выберите рулонный материал или насыпной, то со временем материалы однозначно станут проседать. Значит, способ крепежа должен быть безукоризненный. А это уже отдельная тема.

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, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:

\tau\frac{\partial\mathbf{q}}{\partial t}=-\left(\mathbf{q}+\varkappa\,\nabla T\right).

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

https://youtube.com/watch?v=wbwl8hPg5i4

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.

Рисунок 6. Устройство термоса.

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.

Применение коэффициента теплопроводности в строительстве

В строительстве действует одно простое правило — коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов должны быть как можно ниже. Все потому, что чем меньше значение λ (лямбда), тем меньше можно сделать толщину изоляционного слоя, чтобы обеспечить конкретное значение коэффициента теплопередачи через стены или перегородки.

В настоящее время производители теплоизоляционных материалов (пенополистирол, графитовые плиты или минеральная вата) стремятся минимизировать толщину изделия за счет уменьшения коэффициента λ (лямбда), например, для полистирола он составляет 0,032-0,045 по сравнению с 0,15-1,31 у кирпича.

Что касается строительных материалов, то при их производстве коэффициент теплопроводности не имеет столь большого значения, однако в последние годы наблюдается тенденция к производству строительных материалов с низким показателем λ (например, керамических блоков, структурных изоляционных панелей, блоков из ячеистого бетона). Такие материалы позволяют построить однослойную стену (без утеплителя) или с минимально возможной толщиной утеплительного слоя.

Какой же строительный материал самый теплый?

В настоящее время это пенополиуретан (ППУ) и его производные, а также минеральная (базальтовая, каменная) вата. Они уже зарекомендовали себя как эффективные теплоизоляторы и сегодня широко применяются в утеплении домов.

Для наглядности о том, насколько эффективны эти материалы, покажем вам следующую иллюстрацию. На ней отображено какой толщины материала достаточно, чтобы удерживать тепло в стене дома:

А как же воздух и газообразные вещества? — спросите вы. Ведь у них коэффициент Лямбда еще меньше? Это верно, Но если мы имеем дело с газами и жидкостями, помимо теплопроводности, здесь надо также учитывать и перемещение тепла внутри них — то есть конвекции (непрерывного движения воздуха, когда более теплый воздух поднимается вверх, а более холодный — опускается).

Подобное явление имеет место в пористых материалах, поэтому они имеют более высокие значения теплопроводности, чем сплошные материалы. Все дело в том, что небольшие частички газа (воздух, углекислый газ) скрываются в пустотах таких материалов. Хотя такое может случится и с другими материалами — в случае если воздушные поры в них будут слишком большими, в них может также начать происходить конвекция.

Основные определения

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества — молекулами, атомами, электронами — в процессе их теплового движения. В жидкостях и твердых телах- диэлектриках — перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.

В основной зеком теплопроводности входит ряд математических понятий, оп­ределения которых, целесообразно напомнить и пояснить.

Температурное поле — это со­вокупности значений температуры во всех точках тела в данный момент време­ни. Математически оно описывается ввиде t = f(x, y, z, τ). Различают стационарное температурное поле, когда температура во всех точках тела не зависит от времени (не изменяется с течением времени), и нестационарное температурное поле. Кроме то­го, если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле на­зывают соответственно одно- или двух — мерным.

Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек, температура в которых одинакова.

Градиент температуры — grad t есть вектор, направленный по нор­мали к изотермической поверхности и численно равный производной от тем­пературы по этому направлению.

Согласно основному закону тепло­проводности — закону Фурье (1822 г.), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:

q = — λ grad t, (3)

где λ — коэффициент теплопро­водности вещества; его единица измерения Вт/(м·К).

Знак минус в уравнении (3) ука­зывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.

Тепловой поток δQ через произволь­но ориентированную элементарную пло­щадку dF равен скалярному произведе­нию вектора q на вектор элементарной площадки dF, а полный тепловой поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием этого произведения по поверхности F:

(4)

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Коэффициент теплопроводности λ в законе Фурье (3) характеризует спо­собность данного вещества проводить теплоту. Значения коэффициентов тепло­проводности приводятся в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Численно коэффициент теплопроводности λ = q/grad t равен плотности теплового потока q при градиенте температуры grad t = 1 К/м. Наиболь­шей теплопроводностью обладает легкий газ — водород. При комнатных условиях коэффициент теплопроводности водорода λ = 0,2 Вт/(м·К). У более тяжелых газов теплопроводность меньше — у воз­духа λ = 0,025 Вт/(м·К), у диоксида уг­лерода λ = 0,02 Вт/(м·К).

Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают чистые серебро и медь: λ = 400 Вт/(м·К). Для углеродистых сталей λ = 50 Вт/(м·К). У жидкостей коэффициент теплопроводности, как правило, меньше 1 Вт/(м·К). Вода является одним из лучших жидких проводников теплоты, для нее λ = 0,6 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт/(м·К).

Пористые материалы – пробка, различные волокнистые наполнители типа органической ваты – обладают наименьшими коэффициентами теплопроводности λ<0,25 Вт/(м·К), приближающимся при малой плотности набивки к коэффициенту теплопроводности воздуха, наполняющего поры.

Значительное влияние на коэффициент теплопроводности могут оказывать температура, давление, а у пористых материалов ещё и влажность. В справочниках всегда приводятся условия, при которых определялся коэффициент теплопроводности данного вещества, и для других условий эти данныеиспользовать нельзя. Диапазоны значений λ для различных материалов приведены на рис. 1.

Рис.1. Интервалы значений коэффициентов теплопроводности различных веществ.

Золото

Это по преимуществу драгоценный металл, занимающий ведущее место в истории человечества. Помимо этого особого значения, золото является пластичным, прочным и отличным проводником тепла и электричества.

Поскольку золото не подвержено коррозии, оно используется для переноса малых токов в твердотельные электронные компоненты. Эти токи настолько малы, что их можно легко прервать при малейшем признаке коррозии, поэтому золото гарантирует надежность электронных компонентов.

Он также используется для изготовления разъемов для наушников, контактов, реле и соединительных кабелей. Такие устройства, как смартфоны, калькуляторы, ноутбуки, настольные компьютеры и телевизоры, содержат небольшое количество золота.

Специальные стекла для помещений с кондиционированием воздуха также содержат диспергированное золото таким образом, что они помогают отражать солнечное излучение наружу, сохраняя свежесть внутри, когда очень жарко. Таким же образом они помогают поддерживать внутреннее тепло в доме зимой.