Закон фурье

Виды утеплителей

Из утеплителей меньшей теплопроводностью обладают пенополистирол и экструдированный пенополиуретан. Это жесткие, хрупкие материалы, выпускающиеся в плитах, и имеющие ячеистую структуру. Но нужно учесть, что при увеличении плотности структуры материала, увеличивается и его способность пропускать тепло.

Минеральные утеплители кроме хорошей сохранности тепла, обладают отличными звукоизоляционными свойствами: они гасят звуки, не позволяя им проникнуть в помещение.

Производится минвата в виде плит или в рулонах. Плитами обкладываются стены, кровля, пол. Рулонный утеплитель пригоден для укрытия труб водоснабжения и отопления.

• Таблица теплопроводности утеплителей
• Утеплитель Басвул
• Керамический кирпич — Теплопроводность

Закон теплопроводности Фурье

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

q→=−ϰgrad⁡T{\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \mathop {\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 grad⁡T{\displaystyle \mathop {\textrm {grad}} T} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

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

P=−ϰSΔTl,{\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} P=−Втм⋅К⋅м2⋅Км=Вт{\displaystyle P=-{{\text{Вт}} \over {{\text{м}}\cdot {\text{К}}}}\cdot {{{\text{м}}^{2}\cdot {\text{К}}} \over {\text{м}}}={\text{Вт}}}

где P{\displaystyle P} — полная мощность тепловой передачи, S{\displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{\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:

ϰσ=π23(ke)2T,{\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

ϰ∼13ρcvλv¯,{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ{\displaystyle \rho } — плотность газа, cv{\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

ϰ=ik3π32d2RTμ,{\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∼13ρcvlv¯∝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.

Закон теплопроводности Фурье[ | код]

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

q→=−ϰgrad(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 grad(T){\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

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

P=−ϰSΔTl,{\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} [Вт/(м·К) · (м2·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

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

Связь с электропроводностью | код

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

ϰσ=π23(ke)2T,{\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 | код

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

ϰ∼13ρcvλv¯,{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ{\displaystyle \rho } — плотность газа, cv{\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

ϰ=ik3π32d2RTμ,{\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 | код

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∼13ρcvlv¯∝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.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ[ | код]

Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена

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.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена

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.

Что такое теплопроводность: определение

При возведении зданий и сооружений могут использоваться разные материалы. Жилые и производственные постройки в условиях российского климата обычно утепляются. То есть, при их строительстве применяются специальные изоляторы, основным назначением которых является поддержание комфортной температуры внутри помещений

При расчете необходимого количества минеральной ваты или пенополистирола в обязательном порядке принимается во внимание теплопроводность использованного для возведения ограждающих конструкций основного материала

Очень часто здания и сооружения в нашей стране строятся из разных видов бетона. Также для этой цели используются кирпич и дерево. Собственно самой теплопроводностью называется способность вещества к переносу энергии в своей толще в силу движения молекул. Идти подобный процесс может, как в твердых частях материала, так и в его порах. В первом случае он называется кондукцией, во втором — конвекцией. Остывание материала гораздо быстрее идет в его твердых частях. Воздух, заполняющий поры, задерживает тепло, конечно же, лучше.

Выбираем кирпич: о «теплых» и «холодных» стройматериалах

Кирпич обладает долговечностью, механической прочностью, морозостойкостью, хорошими звукоизоляционными свойствами и безопасен с точки зрения экологии. Все эти качества делают кирпич одним из самых востребованных стройматериалов на рынке

Но, есть и ещё одно важное свойство кирпича — его теплотехнические параметры. Ведь именно теплопроводность кирпича, из которого выложены стены, влияет на микроклимат помещения в этом здании

Немного физики или от чего зависит теплопроводность кирпича

Теплопроводность — это способность материала проводить тепло через свой объём. Количественно выражается она коэффициентом теплопроводности (λ, «лямбда») и определяется в Вт/м². Проще говоря, чем меньше теряется энергии, тем лучше, а значит, чем меньше коэффициент λ, тем «теплее» материал. Фактически на теплопроводность влияет плотность кирпича. Чем она меньше, тем меньше теплопроводность. Самый прочный и тяжелый клинкерный кирпич имеет самый высокий коэффициент λ, а лёгкий и менее прочный керамический, соответственно, самый низкий коэффициент теплопроводности.

Виды кирпича и их коэффициент проводимости тепла

В строительстве могут быть использованы разные виды кирпича. Перед тем, как приступить к возведению дома, имеет смысл узнать, насколько «теплыми» или «холодными» являются наиболее востребованные виды этого керамического материала.

• Клинкерный — самый прочный и тяжелый кирпич с высоким коэффициентом теплопроводности — 0,8-0,9.
• Силикатный кирпич — легкий кирпич, имеет меньший коэффициент теплопроводности — 0,4.
• С техническими пустотами — 0,66.
• Полнотелый кирпич — 0,8.
• Щелевой кирпич — 0,34-0,43;
• Кирпич поризованный — 0,22;

Теплопроводность кирпичной стены

Теплопроводность – один из важнейших показателей, характеризующих качество возводимого сооружения. И это неудивительно: ведь от этого коэффициента зависят не только затраты на отопление помещений, но и степень комфортности проживания в доме. Также в строительных расчетах часто фигурирует коэффициент теплосопротивления (сопротивление теплоотдаче), обратный теплопроводности (чем выше первый, тем ниже второй, и наоборот).

Теплопроводность сооружения зависит от показателей используемого вида кирпича, от параметров раствора, типа кладки, применяемых строительных технологий и утепляющих материалов.

Коэффициент теплопроводности кирпичей

Данный коэффициент обозначается буквой λ и выражается в W/(m*K).

Показатель λ достаточно широко варьируется, в зависимости от типа кирпичей и способа их изготовления. В основном, на данный коэффициент влияют материал кирпича (клинкерный, силикатный, керамический) и относительное содержание пустот. До 13% пустотности кирпичи считаются полнотелыми, выше – пустотелыми. По уменьшению коэффициента λ линейка строительной продукции будет выглядеть следующим образом:

1. Клинкерный кирпич λ= от 0,8 до 0,9. Этот тип стройматериалов не предназначен для строительства утеплённых стен и чаще используется для изготовления полов и мощёных дорог.
2. Силикатный кирпич полнотелого типа λ= от 0,7 до 0,8. Чуть ниже, чем у предыдущего типа, но строительство стены с его использованием требует серьёзных мер по утеплению.
3. Керамический кирпич полнотелый λ= от 0,5 до 0,8 (в зависимости от сорта).
4. Силикатный, с техническими пустотами λ= 0,66.
5. Керамический кирпич пустотелого исполнения λ= 0,57.
6. Керамический кирпич щелевого типа λ= 0,4.
7. Силикатный кирпич щелевого типа – показатель λ аналогичен керамическому щелевому (0,4).
8. Керамический поризованный λ= 0,22.
9. Тёплая керамика λ= 0,11. Имея отличные показатели теплосопротивления, тёплая керамика уступает прочим видам кирпичной продукции по прочности, и поэтому применение её ограничено.

Важно при расчёте также учитывать, что для различных климатических регионов сопротивление теплоотдаче материалов будут варьироваться, в достаточно широких пределах Информацию о соотнесении теплоотдачи с климатическими параметрами, можно почерпнуть в СНиПе 23-02-2003

Теплопроводность кладки

Теплосопротивление кирпичей является важнейшим коэффициентом и в ряде случаев является определяющим параметром при проектировании здания и выбора кладки. Вместе с тем, сопротивление

теплоотдачи сооружения зависит не только от показателя λ используемых кирпичей, но и от применяемого строительного раствора.

Наиболее частым является случай, когда теплосопротивление раствора существенно ниже, чем сопротивление кирпича.

Так, коэффициент теплоотдачи раствора на основе цемента и песка равен 0,93 W/(m*K), а цементно-шлакового раствора – 0,64.

Путем суммирования коэффициентов сопротивления теплоотдаче кирпича и раствора разработаны специальные таблицы коэффициента теплопередачи, которые можно посмотреть в ГОСТе 530-2007. Ниже приведена выдержка из таблицы:

Таблица – Теплопроводность кладки

Расчет стены

Для того, чтобы использовать коэффициент теплосопротивления кирпичной стенки на практике, необходимо воспользоваться следующей формулой:

r = (толщина кладки, м)/(теплоотдача, W/(m * K)),

где r – сопротивление теплоотдаче кирпичной стены. При расчетах также необходимо учитывать степень влажности помещения и климатический регион.

Уменьшение коэффициента теплоотдачи стены

В ряде случаев коэффициент λ оставляет желать много лучшего. К тому же нарушение технологии строительства может привести к изменению теплоотдачи в большую сторону. Если применять жидкий раствор при возведении стены из щелевого кирпича, то связующий материал проникнет в пустоты и отрицательно скажется на показателях теплосбережения (сопротивление теплопередаче уменьшится).

Что делать, чтобы увеличить сопротивление теплоотдаче?

Методы уменьшения теплопередачи стены:

Показатели влажности ячеистого бетона

Европейский и Международный комитеты по бетону, проходящие в 1977 году в Лондоне, в связи с существенными различиями в применении в строительстве и физико-техническими свойствами между бетонами на легких заполнителях и ячеистыми бетонами, создали рабочую группу по ячеистому бетону, которая выявила, что эксплуатационная влажность – его важнейший показатель. Значение влажности ячеистого бетона составляет 4-5% от его массы и устанавливается примерно через 2-3 года. Пределы значения отпускной влажности — 25 – 35%.

Способность внутренней влаги передавать тепло обуславливает основную теплопередачу. Ячеистый бетон имеет свойство линейно повышать теплопроводность, по мере увеличения такого показателя как сорбционное влагопотребление до 15%. Дальнейший рост этого показателя влияет уже несущественно.

Есть ряд особенностей эксплуатации ячеистого бетона для того, чтобы получать заявленную теплопроводность. Так, например, обязательно использовать грунтовку для предохранения стен от увлажнения. На наружных стенах грунтовка должна быт паропроницаемая.

Как рассчитать необходимую теплопроводимость?

Стены из газоблоков должны иметь достаточную ширину, чтобы в помещении сохранялось тепло. Если сделать их слишком тонкими, то здание будет выхолаживаться. Чтобы не столкнуться с такой проблемой, необходимо правильно выполнить расчеты. Не допустить ошибку помогают правила СНИП, которые имеются для каждого региона страны. Влажностный режим бывает 3 типов:

• Влажный – 1.
• Нормальный – 2.
• Сухой – 3.

Понять, в каком регионе проживает человек, поможет специальная карта:

Чем выше уровень влажности воздуха в регионе проживания, тем толще и плотнее должны быть стены, так как сырость способствует быстрым теплопотерям.

Без учета коэффициента теплопроводности газобетонного блока невозможно правильно определить толщину стены строящегося здания. Чтобы точно высчитать толщину стен, прибегают к специальной формуле. Она выглядит следующим образом:

T=Rreg x λ, где:

• T – это толщина стены.
• Rreg – необходимое сопротивление по теплопередаче для разных городов РФ.
• λ — это коэффициент теплопроводности для газоблока (зависит от его плотности).

Пользоваться этой формулой очень просто. Практический пример:

Rreg для Москвы – 3,28. λ для газоблока марки D500, 5% влажности – 0,14. Итого: Т= 3,28 x 0,147 = 0,48.

Значит, толщина стены в Москве с учетом теплопроводности выбранного газоблока должна составлять не менее 48 см.

Для примера приведена минимальная толщина стен из газоблоков марки D500 для разных городов России:

• Москва – 35 см.
• Новосибирск – 45 см.
• Якутск – 65 см.

Чем выше показатели влажности в регионе и чем там холоднее, тем толще должны быть стены. В противном случае добиться качественной теплоизоляции не удастся.

Неопытные строители часто возводят слишком тонкие стены, руководствуясь рекомендациями производителей газоблоков, которые не учитывают множество факторов в виде мостиков холода, климатических особенностей региона и пр.

Закон теплопроводности Фурье

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

q→=−ϰgrad⁡T{\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \mathop {\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 grad⁡T{\displaystyle \mathop {\textrm {grad}} T} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

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

P=−ϰSΔTl,{\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} P=−Втм⋅К⋅м2⋅Км=Вт{\displaystyle P=-{{\text{Вт}} \over {{\text{м}}\cdot {\text{К}}}}\cdot {{{\text{м}}^{2}\cdot {\text{К}}} \over {\text{м}}}={\text{Вт}}}

где P{\displaystyle P} — полная мощность тепловой передачи, S{\displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{\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:

ϰσ=π23(ke)2T,{\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

ϰ∼13ρcvλv¯,{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ{\displaystyle \rho } — плотность газа, cv{\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

ϰ=ik3π32d2RTμ,{\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∼13ρcvlv¯∝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.

Что такое коэффициент теплопроводности

Физический смысл коэффициента теплопроводности — это количество тепла, которое проходит через образец единичного объема за одну секунду при разнице температур в один Кельвин (градус Цельсия). Единица измерения — Вт/(м °К), обозначение — λ, k, ϰ.

Чем выше значение коэффициента, тем большей способностью к передаче тепла обладает материал. В абсолютном вакууме λ=0, максимальный — у алмаза и графена, применяемого в наноразработках.

У бетона значение коэффициента теплопроводности находится в пределах 0,05 -2,02 Вт/(м °К) в зависимости от плотности и влажности материала. У ячеистого автоклавного бетона марки М150 λ=0,055 Вт/(м °К), а тяжелые бетоны М800-1000 характеризуются показателем 2,02 Вт/(м °К).

В строительстве при расчете конструкций на сопротивление теплопередаче используют таблицу с точными значениями коэффициента. Его указывают для трех состояний материала:

• в сухом виде;
• при нормальной влажности;
• при повышенной влажности.

Теплотехнический расчет проводят в соответствии с условиями эксплуатации бетона.

От чего зависит величина коэффициента

Коэффициент теплопроводности бетона определяют опытным путем. Поскольку у материала неоднородная структура, то величина непостоянна и носит условный характер.

Параметры, от которых зависит показатель:

• Плотность. Тепловую энергию передают друг другу частицы, поэтому чем ближе они расположены, тем быстрее этот процесс. Соответственно, рыхлые материалы с меньшей плотностью способны лучше противостоять теплопередаче.
• Пористость материала. Тепловой поток перемещается сквозь толщу монолита, часть которого составляют воздушные пустоты. Теплопроводность воздуха очень мала — 0,02 Вт/(м °К). Чем больше занятый воздухом объем, тем коэффициент λ ниже.
• Структура пор — размеры и замкнутость. Мелкие полости снижают скорость передачи энергии, в то время как в крупных сообщающихся отверстиях теплообмен совершается конвекционным путем, увеличивая тем самым общую теплопередачу.
• Влажность. Коэффициент теплопроводности воды 0,6 Вт/м К, это достаточно большой показатель. Проникая в полости бетона, влага уменьшает способность материала сохранять тепло.
• Температура. Чем она у вещества выше, тем быстрее движутся молекулы. Зависимость от температуры линейная, выражается формулой λ=λо х (1+b х t), где λ и λо — искомый и начальный коэффициенты теплопроводности, b — справочная величина, t — температура в градусах.

Теплопроводность материалов

Ярко выраженной способностью проводить тепло обладают металлы. Для полимеров свойственна невысокая теплопроводность, а некоторые из них практически не проводят тепло, например, стекловолокно, такие материалы называются теплоизоляторами. Чтобы существовал тот или иной поток тепла через пространство, необходимо наличие некоторой субстанции в этом пространстве, поэтому в открытом космосе (пустое пространство) теплопроводность равна нулю.

Каждый гомогенный (однородный) материал характеризуется коэффициентом теплопроводности (обозначается греческой буквой лямбда), то есть величиной, которая определяет, сколько тепла нужно передать через площадь 1 м², чтобы за одну секунду, пройдя через толщу материала в один метр, температура на его концах изменилась на 1 К. Это свойство присуще каждому материалу и изменяется в зависимости от его температуры, поэтому этот коэффициент измеряют, как правило, при комнатной температуре (300 К) для сравнения характеристики разных веществ.

Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):

• сталь 47—58;
• алюминий 237;
• медь 372,1—385,2;
• бронза 116—186;
• цинк 106—140;
• титан 21,9;
• олово 64,0;
• свинец 35,0;
• железо 80,2;
• латунь 81—116;
• золото 308,2;
• серебро 406,1—418,7.

В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:

• стекловолокно 0,03—0,07;
• стекло 0,6—1,0;
• асбест 0,04;
• дерево 0,13;
• парафин 0,21;
• кирпич 0,80;
• алмаз 2300.

Из рассматриваемых данных видно, что теплопроводность металлов намного превышает таковую для неметаллов. Исключение составляет алмаз, который обладает коэффициентом теплопередачи в пять раз больше, чем медь. Это свойство алмаза связано с сильными ковалентными связями между атомами углерода, которые образуют его кристаллическую решетку. Именно благодаря этому свойству человек чувствует холод при прикосновении к алмазу губами. Свойство алмаза хорошо переносить тепловую энергию используется в микроэлектронике для отвода тепла из микросхем. А также это свойство используется в специальных приборах, позволяющих отличить настоящий алмаз от подделки.

В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.

Похожие записи:

Разновидности пластиковых окон по виду профиля и стеклопакета Трафареты для декора стен: 3 способа декорирования Ремонт редукторов болгарок своими руками Как установить насос для повышения давления воды в квартире: распишем главное Обои желтого цвета для стен Сам заменил сливное устройство в унитазе