Теплопроводность воздуха: физический смысл величины, коэффициент, зависимость от температуры

Принцип определения значения сопротивления теплопередачи в многослойной стене.

Если вы планируете построить стену из нескольких видов материала (например, строительный камень+минеральный утеплитель+штукатурка), то R рассчитывается для каждого вида материала отдельно (по этой же формуле), а потом суммируется:

Rобщ= R1+ R2+…+ Rn+ Ra.l где:

R1-Rn — термосопротивления различных слоев

Ra.l – сопротивление замкнутой воздушной прослойки, если она присутствует в конструкции

Пример расчета толщины минераловатного утеплителя для многослойной стены (шлакоблок — 400 мм, минеральная вата — ? мм, облицовочный кирпич — 120 мм) при значении сопротивления теплопередаче 3,4 м2*Град С/Вт

R=Rшлакоблок+Rкирпич+Rвата=3,4

Rшлакоблок = δ/λ = 0,4/0,45 = 0,89 м2×°С/Вт

Rкирпич = δ/λ = 0,12/0,6 = 0,2 м2×°С/Вт

Rшлакоблок+Rкирпич=0,89+0,2 = 1,09 м2×°С/Вт (

Rвата=R-(Rшлакоблок+Rкирпич) =3.4-1,09=2,31 м2×°С/Вт

δвата=Rвата·λ=2,31*0,045=0,1 м=100 мм (принимаем λ=0,045 Вт/(м×°С) – среднее значение теплопроводности для минеральной ваты различных видов).

Коэффициент теплопроводности строительных материалов – таблицы

Теплоизоляционные свойства материалов прекрасно демонстрируют сводные таблицы, в которых представлены нормативные показатели.

Таблица коэффициентов теплоотдачи материалов. Часть 1

Проводимость тепла материалов. Часть 2
Таблица теплопроводности изоляционных материалов для бетонных полов

Но эти таблицы теплопроводности материалов и утеплителей учли далеко не все значения. Рассмотрим подробнее теплоотдачу основных строительных материалов.

Таблица теплопроводности кирпича

Как уже успели убедиться, кирпич – не самый «тёплый» стеновой материал. По теплоэффективности он отстаёт от дерева, пенобетона и керамзита. Но при грамотном утеплении из него получаются уютные и тёплые дома.

Сравнение теплопроводности строительных материалов по толщине (кирпич и пенобетон)

Но не все виды кирпича имеют одинаковый коэффициент теплопроводности (λ). Например, у клинкерного он самый большой – 0,4−0,9 Вт/(м·К). Поэтому строить из него что-то нецелесообразно. Чаще всего его применяют при дорожных работах и укладке пола в технических зданиях. Самый малый коэффициент подобной характеристики у так называемой теплокерамики – всего 0,11 Вт/(м·К). Но подобное изделие также отличается и большой хрупкостью, что максимально минимизирует область его применения.

Неплохое соответствие прочности и теплоэффективности у силикатных кирпичей. Но кладка из них также нуждается в дополнительном утеплении, и в зависимости от региона строительства, возможно, ещё и в утолщении стены. Ниже приведена сравнительная таблица значений проводимости тепла различными видами кирпичей.

Теплопроводность разных видов кирпичей

Таблица теплопроводности металлов

Теплопроводность металлов не менее важна в строительстве, например, при выборе радиаторов отопления. Также без подобных значений не обойтись при сварке ответственных конструкций, производстве полупроводников и различных изоляторов. Ниже приведены сравнительные таблицы проводимости тепла различных металлов.

Таблица теплопроводности дерева

Древесина в строительстве негласно относится к элитным материалам для возведения домов. И это не только из-за экологичности и высокой стоимости. Самые низкие коэффициенты теплопроводности у дерева. При этом подобные значения напрямую зависят от породы. Самый низкий коэффициент среди строительных пород имеет кедр (всего 0,095 Вт/(м∙С)) и пробка. Из последней строить дома очень дорого и проблемно. Но зато пробка для покрытия пола ценится из-за своей невысокой проводимости тепла и хороших звукоизоляционных качеств. Ниже представлены таблицы теплопроводности и прочности различных пород.

Проводимость тепла дерева
Прочность разных пород древесины

Таблица проводимости тепла бетонов

Бетон в различных его вариациях является самым распространённым строительным материалом на сегодня, хотя и не является самым «тёплым». В строительстве различают конструкционные и теплоизоляционные бетоны. Из первых возводят фундаменты и ответственные узлы зданий с последующим утеплением, из вторых строят стены. В зависимости от региона к таковым либо применяется дополнительное утепление, либо нет.

Сравнительная таблица теплоизоляционных бетонов и теплопроводности различных стеновых материалов

Наиболее «тёплым» и прочным считает газобетон. Хотя это не совсем так. Если сравнивать структуру пеноблоков и газобетона, можно увидеть существенные различия. У первых поры замкнутые, когда же у газосиликатов большинство их открытые, как бы «рваные». Именно поэтому в ветреную погоду неутеплённый дом из газоблоков очень холодный. Эта же причина делает подобный лёгкий бетон более подверженным к воздействиям влаги.

Какой коэффициент теплопроводности у воздушной прослойки

В строительстве зачастую используют воздушные ветронепродуваемые прослойки, которые только увеличивают проводимость тепла всего здания. Также подобные продухи необходимы для вывода влаги наружу

Особое внимание проектированию подобных прослоек уделяется в пенобетонных зданиях различного назначения. У подобных прослоек также есть свой коэффициент теплопроводности в зависимости от их толщины. Таблица проводимости тепла воздушных прослоек

Таблица проводимости тепла воздушных прослоек

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:

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.

Интервалы значений коэффициентов теплопроводности различных веществ.

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении изучения параметров теплопроводности надо помнить о том, что характеристики конкретного металла или его сплавов от метода его выработки. Например, параметры металла полученного с помощью литья могут существенно отличаться от характеристик материала изготовленного по методам порошковой металлургии. Свойства сырого металла коренным образом отличаются от того, который прошел через термическую обработку.

Термическая нестабильность, то есть преобразование отдельных свойств металла после воздействия высоких температур является общим для практически всех материалов. Как пример можно привести то, что металлы после длительного воздействия разных температур способны достичь разных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводности.

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и определенном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования по измельчению металла для проведения его исследований с применением способов термического анализа. Действительно, такое требование существует при проведении ряда исследований. Бывает и такое требование – как изготовление специальных пластин и многие другие.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В этом методе фиксируется переходная кривая температуры образца между его двумя стационарными состояниями. Этот процесс является следствием скачка тепловой мощности вводимой в испытуемый образец.

Такой метод можно назвать относительным. В нем используются испытуемый и сравнительный образцы.  Главное заключается в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность.  При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных параметров необходимо выдержать определенное количество времени.  Направление  изменения температуры и ее шаг должен быть подобран таким образом, что бы образец, предназначенный для испытаний, прогревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки сравняются  и отношение теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры. Иногда в процессе этих исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца. На один из образцов могут быть созданы дополнительные тепловые нагрузки в сравнении со вторым образцом.

Для чего используются такие расчеты в практическом приложении?

Оценка эффективности имеющейся термоизоляции

А для чего бывает необходимо вычислять это сопротивление, какая от этого практическая польза?

Такими расчетами можно очень точно оценить степень термоизоляции своего жилья.

Дело в том, что для различных климатических регионов России специалистами рассчитаны так называемые нормативные показатели этого сопротивления теплопередаче, отдельно для стен, перекрытий и покрытий. То есть если сопротивление конструкции отвечает этой норме, то за утепление можно быть спокойным.

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)

Материал и схема заполнения проема                                                  Приведенное термическое Ro, м ² × °С/Вт

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:

Теплопроводность материалов: параметры

Принято условное разделение материалов, применяемых в строительстве, на конструкционные и теплоизоляционные.

Конструкционные материалы применяются для возведения ограждающих конструкций (стен, перегородок, перекрытий). Они отличаются большими значениями теплопроводности.

Значения коэффициентов теплопроводности сведены в таблицу 1:

Нестационарные методы определения коэффициента теплопроводности используются, в частности, в тех случаях, когда применение метода сляба не может быть применено. Более низкая надежность измерения компенсируется, в частности, быстрой реализацией эксперимента. Оценка эксперимента б