Теплопроводность строительных материалов

Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества

Коэффициент теплопроводности — теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Коэффициент теплопроводности — количество теплоты, проходящее в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно grad t.

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Эти обстоятельства должны учитываться при использовании справочных таблиц.

Наибольшее значение имеет коэффициент теплопроводности металлов, для которых . Наиболее теплопроводным металлом является серебро , затем идут чистая медь , золото , алюминий и т.д. Для большинства металлов рост температуры приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности. Эта зависимость может быть приближенно аппроксимирована уравнением прямой линии

(3)

здесь л, л0 — соответственно коэффициенты теплопроводности при данной температуре t и при 00C, в — температурный коэффициент. Коэффициент теплопроводности металлов очень чувствителен к примесям.

Например, при появлении в меди даже следов мышьяка её коэффициент теплопроводности снижается с 395 до 142; для стали при 0,1 % углерода л = 52 , при 1,0 % — л = 40 , при 1,5 % углерода л=36 .

На коэффициент теплопроводности влияет и термическая обработка. Так, у закаленной углеродистой стали л на 10 — 25% ниже, чем у мягкой. По этим причинам коэффициенты теплопроводности торговых образцов металла при одинаковых температурах могут существенно различаться. Следует отметить, что для сплавов, в отличие от чистых металлов, характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры. К сожалению, установить какие — либо общие количественные закономерности, которым подчиняется коэффициент теплопроводности сплавов, пока не удалось.

Величина коэффициента теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов — диэлектриков во много раз меньше, чем у металлов и составляет 0,02 — 3,0 . Для подавляющего большинства из них (исключение составляет магнезитовый кирпич) с ростом температуры коэффициент теплопроводности возрастает. При этом можно пользоваться уравнением (3), имея ввиду, что для твердых тел — диэлектриков в>0.

Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, асбест, шлак и др.). Для них и порошкообразных материалов коэффициент теплопроводности существенно зависит от объемной плотности. Это обусловлено тем, что с ростом пористости, большая часть объема заполняется воздухом, коэффициент теплопроводности которого очень низок. Вместе с тем, чем выше пористость, тем ниже объемная плотность материала. Таким образом, уменьшение объемной плотности материала, при прочих равных условиях, приводит к уменьшению л.

Например, для асбеста уменьшение объемной плотности с 800 кг/м, до 400 кг/м, приводит к уменьшению с 0,248 до 0,105 . Очень велико влияние влажности. Например, для сухого кирпича л = 0,35, для жидкости 0,6, а для влажного кирпича л=1,0 .

На эти явления надо обращать внимание при определении и технических расчетах теплопроводности. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах 0,08 — 0,7

При этом, для подавляющего большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности убывает. Исключение составляют вода и глицерин.

Коэффициент теплопроводности газов еще ниже  .

Коэффициент теплопроводности газов растет с повышением температуры. В пределах от 20 мм.рт.ст. до 2000 ат (бар), т.е. в области, которая наиболее часто встречается на практике, л от давления не зависит. Следует иметь в виду, что для смеси газов (дымовые газы, атмосфера термических печей и т.п.) расчетным путем определить коэффициент теплопроводности невозможно. Поэтому при отсутствии справочных данных достоверная величина л может быть найдена лишь опытным путем.

При значении л < 1 — вещество называют тепловым изолятором.

Для решения задач теплопроводности необходимо располагать сведениями о некоторых макроскопических свойствах (теплофизических параметрах) вещества: коэффициенте теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости. 

Примечания

1. Горный лён //  :  / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978., Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия 1969—1978.
2. Горный лен // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
3. Уралит (примечание 1 к статье с дополнением в статью «Асбест»), Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. Санкт-Петербург, 1890—1907 гг. Том XXXIVa (1902): Углерод — Усилие, с. 860—862.
4. Старкова Б., Червенка В., «Foster Bohemia ООО». . Журнал «Недвижимость и инвестиции. Правовое регулирование». dpr.ru (1 июня 2005). Дата обращения 24 февраля 2020.
5. , с. 137—138.

Где его применяют

Если изучать вопрос, для чего нужен асбест, то можно заметить, что применяют его в разных сферах, включая промышленное производство, строительство.

Строительство

Unsplash

В монтажных работах особенно ценится его огнеупорность и теплоизоляция. Поэтому очень часто при установке настенных панелей или укладке пола используются асбестовые плиты или вата из этого же вещества.

Машиностроение и металлургия

Кабели, различные металлические и бетонные конструкции обычно обрабатываются этим минералом в виде напыления. Так они приобретают огнеупорные свойства.

Кроме того, в некоторых домах устанавливаются цементные трубы с добавлением этого вещества. Именно благодаря ему они становятся более прочными и долговечными.

Химическая индустрия

Instagram@eegenvironmental

Асбест нашел применение и в химической сфере, где с его помощью изготавливают разные пластмассы, бумагу и лакокрасочные изделия.

Текстильная промышленность

Здесь этот минерал применяется в изготовлении тканей для спецодежды. С его помощью изготавливаются защитные перчатки, шлемы и костюмы. Помимо этого тормозные летны и уплотнительные прокладки для труб также делаются с его добавлением.

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 быстро и может быть алгоритмизирована для онлайн-обработки компьютером.

В этой статье приведены данные по теплопроводности для выбора общих материалов. Теплопроводность измеряет способность материалов пропускать тепло через него через проводимость. Теплопроводность материала сильно зависит от состава и структуры. Вообще говоря, плотные материалы, такие как металлы и камень, являются хорошими проводниками тепла, в то время как вещества с низкой плотностью, такие как газ и пористая изоляция, являются плохими проводниками тепла. Теплопроводность материалов требуется для анализа при изучении теплообмена в системе.

Таблица 1

Подставляя в формулу (2) данные, взятые из нормативной документации, и данные из Таблицы 1, можно получить требуемую толщину стен для конкретного климатического района.

При выполнении стен только из конструкционных материалов без использования теплоизоляции их необходимая толщина (в случае использования железобетона) может достигать нескольких метров. Конструкция в этом случае получится непомерно большой и громоздкой.

В статье. В следующих таблицах показаны теплопроводности для обычных веществ. Строительные материалы или строительные материалы являются основным требованием в этот современный век технологии. Существует много типов строительных материалов, используемых для различных строительных работ.

Свойства строительных материалов

Для того чтобы материал рассматривался как строительный материал, он должен обладать необходимыми инженерными свойствами, подходящими для строительных работ. Эти свойства строительных материалов отвечают за его качество и мощность и помогают решать их применение.

Допускают возведение стен без использования дополнительного утепления, пожалуй, только пенобетон и дерево. И даже в этом случае толщина стены достигает полуметра.

Основной их диапазон лежит в пределах от 0,03 до 0,07 Вт/(м*°С). Наиболее распространенные материалы – это экструдированный пенополистирол, минеральная вата, пенопласт, стекловата, утепляющие материалы на основе пенополиуретана. Их использование позволяет значительно снизить толщину ограждающих конструкций.

Процесс передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой называется теплопроводностью. Числовое значение такого процесса отражает коэффициент теплопроводности материала. Это понятие является очень важным при строительстве и ремонте зданий. Правильно подобранные материалы позволяют создать в помещении благоприятный микроклимат и сэкономить на отоплении существенную сумму.

Пористость строительных материалов

Пористость дает объем материала, занимаемого порами. Это отношение объема пор к объему материала. Пористость влияет на многие свойства, такие как теплопроводность, прочность, насыпная плотность, долговечность и т.д.

Долговечность строительных материалов

Свойство материала противостоять совместному действию атмосферных и других факторов известно как долговечность материала. Если материал более прочный, он будет полезен для более длительного срока службы. Стоимость обслуживания материала зависит от долговечности.

Расчёт

Термическое сопротивление отдельного слоя ограждающей конструкции или однородного огражденияR=δλ{\displaystyle R={\frac {\delta }{\lambda }}}, где δ — толщина слоя материала (м), λ — коэффициент теплопроводности материала (Вт/).
Чем больше полученное значение R, тем выше теплозащитные свойства слоя материала. Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции равно сумме термических сопротивлений слоев из однородных материалов, составляющих эту конструкцию.

Для примера рассчитаем теплопотери помещения верхнего этажа дома через крышу. Примем температуру внутреннего воздуха +20°С , а наружного −10°С. Таким образом, температурный перепад составит 30°С (или 30 К). Если, например, потолок комнаты со стороны крыши изолирован стекловатой с низкой плотностью толщиной 150 мм, то сопротивление теплопередачи крыши составит около R=2,5 кв.м*град/Вт. При таких значениях температурного перепада и сопротивления теплопередаче, теплопотери через один квадратный метр крыши равны: 30 / 2,5 = 12 Вт. При площади потолка комнаты 16 м2 мощность оттока тепла только через потолок составит 12*16=192 Вт.

Согласно «СНиП 1954» R многослойных ограждений = R_в + R₁ + R₂ + … + R_н, где R_в — сопротивление теплопереходу у внутренней поверхности ограждения, R₁ и R₂ — термические сопротивления отдельных слоёв ограждения, R_н — сопротивление теплопереходу у наружной поверхности ограждения.

Применение

Огнеупорная асбестовая ткань

Асбестоцементные волнистые кровельные листы

Асбестовые материалы начали широко распространяться в мире в 1930-е годы, а после Второй мировой войны их распространение выросло многократно. Если в 1930-е годы в мире ежегодно добывалось 300 тыс. т асбеста, то в 1945 г. добыча возросла до 750 тыс. т., а через пять лет достигла 1,3 млн т. С 1960-го по 1980 год уровень добычи ещё раз удвоился: с 2,2 млн т до 4,7 млн т..

В 1980 г. начались первые выступления против асбеста. К 1985 гг. его добыча снизилась на 400 тыс. тонн в год, а к началу 2000-х годов упала до 2 млн тонн ежегодно.

В Советском Союзе добыча асбеста возросла с 50 тыс. т ежегодно в 1930 г. до 2,5 млн т в 1985 г., после чего добыча упала до 1 млн т в год, а затем снова возросла.

В настоящее время в мировой промышленности используется хризотил-асбест.

Хризотил входит в состав более чем трёх тысяч изделий в самых различных областях техники.

Хризотил используется в производстве:

• кровельных, стеновых изделий (асбестоцементные плоские и волнистые листы, пенобетон);
• труб (хризотилцементные напорные и безнапорные трубы различного диаметра);
• фасадных плит;
• асбестотехнических и теплоизоляционных изделий (ткани, шнуры, картон, фильтры, фрикционные изделия, тормозные ленты, паронит и др.);
• фиксаторов защитного слоя бетона для устройства тоннелей, герметиков;
• резинотехнических материалов, кирпича;
• для приготовления мастик, герметиков, футеровочных составов, органосиликатных покрытий, буровых и тампонажных растворов, асфальтобетонных смесей, приготовления клеевых смесей и замазок, строительных растворов, ремонтно-восстановительных составов.

Также асбестовую ткань или шнуровой асбест применяют в сфере огненных представлений (т. н. fireshow) как материал для обмотки огненного реквизита (фитилей). Пропитанную ружейной смазкой асбестовую нить используют как сальниковую набивку в пулемёте Максима.

История

По всей видимости, от свойств асбеста, из которого делали ритуальные фигурки, пошло предание о саламандре — священной ящерице бога огня, которая будто бы способна жить в пламени и не сгорать на костре. Согласно классической тибетской медицине, асбест «лечит жилы» и делает человека стойким к нагрузкам.

Первые письменные свидетельства об использовании асбеста можно найти у Страбона. Он упоминает о «камнях, которые чешут и прядут из них ткань». Плиний говорил об этом предмете более подробно. «Есть камень для ткани, который растёт в пустынях Индии, обитаемых змеями, где никогда не падает дождя, и потому он привык к жару. Из него делают погребальные рубашки, чтобы заворачивать трупы вождей при сожжении их на костре; из него делают для пирующих салфетки, которые можно раскалять на огне».

Микеланджело, когда ему показали асбестовую ткань и познакомили с её свойствами, назвал этот минерал «настоящими волосами Венеры».

Давно существует легенда о том, как Акинфий Демидов привёз Петру I прекрасную белоснежную скатерть со своего уральского завода. Во время трапезы он демонстративно опрокинул на скатерть тарелку супа, вылил бокал красного вина, а затем скомкал скатерть и бросил её в камин. Затем, достав из огня, показал царю: на ней не осталось ни одного пятнышка. Эта скатерть была сделана из уральского хризотил-асбеста. И в самом деле, демидовские крепостные рабочие достигли совершенства в изготовлении асбестовых тканей. Из них делали ажурные дамские шляпки, перчатки, кошельки, сумочки и кружева. Они не требовали стирки, их кидали в огонь, и через несколько минут после охлаждения их можно было снова носить. При своей эластичности асбестовая ткань прочнее стальной проволоки на разрыв.

Вреден ли асбест для здоровья

В чём же дело? Вреден ли асбест для здоровья и насколько опасно соприкосновение с ним в бытовых условиях?

Асбест — что это такое?

Под этим понятием скрывается целая группа материалов. Поэтому, чтобы выяснить, насколько это вещество вредно для здоровья, следует прежде разобраться: что это такое — асбест? Это группа материалов из класса силикатов, имеющих естественное происхождение. В России большие месторождения хризотил-асбеста находятся на Урале.

Минерал имеет особую тонковолокнистую структуру, микроскопические трубочки которой образуют гибкие пучки. Благодаря этому он обладает отличными технологическими свойствами. По прочности материал сравним с лучшими марками стали, обладает низкой электропроводностью и высокой теплостойкостью. Хризотиловый асбест химически инертен: не растворяется в воде, не разрушается под воздействием кислорода, солнечной радиации, озона. Материал характеризуется высокой огнестойкостью. При обработке хризотила волокно распушается и приобретает высокую способность к поглощению других химических веществ.

Суть вопроса о вреде асбеста заключается в том, что различают две разновидности материала. Они отличаются структурой волокна и химическим составом. Амфиболовый асбест более опасен для здоровья, поэтому в настоящее время его добыча и использование запрещено во всех странах. Ранее этот материал добывался преимущественно в Европе, США и Австралии, поэтому основные зарубежные исследования о его вреде относятся к амфиболам, то есть к сомнительным, неясным.

Поэтому далее, будет рассматриваться вопрос и воздействие на организм только хризотилового асбеста, который менее опасен для здоровья, но всё-таки относится к признанным канцерогенам, правда, с особым механизмом действия.

Где используется асбест

Асбест имеет широкое применение в промышленности благодаря своим уникальным свойствам и низкой стоимости. Его применяют в производстве:

Вред асбеста для здоровья зависит от степени контакта дыхательных путей с асбестовой пылью.

Влияние асбеста на организм человека

Хроническое отравление асбестом развивается долго и обусловлено не столько самим минералом, сколько теми структурными нарушениями, какие он вызывает, накапливаясь в лёгких.

Наиболее вероятно развитие бронхита, вызванного механическим раздражением микроволокнами пыли тканей дыхательных путей. Также, возможно, развитие асбестоза — при этом заболевании пыль, осевшая в лёгких, вызывает рубцовые изменения в лёгочной ткани.

Чем вреден асбест для здоровья с точки зрения онкологических заболеваний? Установлено, что он сам по себе не является канцерогеном, а относится к группе промоутеров — веществ, способствующих воздействию канцерогенов на клетки. С ним связывают редкое онкологическое заболевание — мезотелиому.

Согласно исследованиям, российских учёных, риск заболевания раком на производствах, из-за хризотилового асбеста, составляет 1 на 100 тысяч. Эта цифра на несколько порядков ниже, чем для группы курящих людей (8800 случаев на 100 тысяч). После разработки новых норм и санитарных правил при условии соблюдения ПДК (предельно допустимых норм) на асбестодобывающих предприятиях России не зафиксировано ни одного случая асбестоза на протяжении 20 лет!

Меры профилактики

Выведена из применения технология напыления асбеста на металлические конструкции.

Асбест хризотиловый признан безопасным материалом при условии его контролируемого использования. В перечень входят:

• применение изделий высокой плотности, которые не крошатся в сухом виде,
• контроль уровня асбестовых волокон в рабочей зоне на производстве (ПДК 1 вол/мл),
• пыль и отходы должны складироваться в герметичную тару и утилизироваться по специальным условиям,
• рабочие из группы риска систематически подвергаются медицинскому осмотру.

В бытовых условиях обязательно соблюдать рекомендации по санитарным нормам:

Несмотря на то что по классу опасности асбест относят к канцерогенным материалам, основной вред его для организма заключается в развитии асбестоза при длительном вдыхании пыли в больших количествах. Проявляется это заболевание в органических изменениях лёгочной ткани (образование рубцов и узелков). При соблюдении техники безопасности и санитарных норм этот строительный материал не представляет угрозы для здоровья!

Физические и теплофизическине свойства водных растворов глицерина

Плотность водного раствора глицерина в зависимости от температуры и концентрации. Таблица.

Плотность смеси глицерина и воды приведена в таблице для концентрации глицерина от 10% до 70% по массе в диапазоне температур от нуля до ста градусов Цельсия.

Вязкость водного раствора глицерина приводится в таблице в диапазоне температур смеси от нуля до ста градусов Цельсия и концентрации глицерина от 10% до 70%. Примечательно, что добавление всего лишь 10% (по массе) глицерина в воду позволяет повысить динамическую вязкость раствора на 30%.

Значения теплопроводности водного раствора глицерина показаны в таблице для диапазона температур от 20 до 80 градусов Цельсия и концентрации глицерина от 10% до 70%. С увеличением концентрации глицерина теплопроводность водного раствора снижается. При содержании 50% глицерина теплопроводность смеси примерно на 29% меньшей, чем у чистой воды.

Оценочные значения теплоемкости водного раствора глицерина приводятся в таблице для температур от 20 до 80 градусов Цельсия и концентраций глицерина от 10 до 70%. С увеличением концентрации глицерина теплопроводность раствора снижается. При нормальных условиях и содержании 10% глицерина теплоемкость смеси примерно в 2 раза меньше теплоемкости чистой воды.

Концентрация глицерина по массе и по объёму в водном растворе

В таблице ниже приведены соотношения концентрации глицерина в водном растворе по массе и по объёму.

Температура кипения смеси глицерина с водой (при нормальном атмосферном давлении)

• Вода (без глицерина): 100°C
• Вода (90%) + Глицерин (10%): 100.7°C
• Вода (70%) + Глицерин (30%): 102,9°C
• Вода (50%) + Глицерин (50%): 106,7°C
• Глицерин (80%) + Вода (20%): 121,5°C
• Глицерин (90%) + Вода (10%): 139,8°C
• Глицерин (95%) + Вода (5%): 168 °C

Температура замерзания смеси глицерина с водой (при нормальном атмосферном давлении)

Источник, в основном: Богданов, Бурцев, Иванов, Куприянова «Холодильная Техника, Кондиционирование воздуха. Свойства веществ. » СПб. 1999

• Вода (90%) + Глицерин (10%): -2,2°C
• Вода (70%) + Глицерин (30%): -8,8°C
• Вода (50%) + Глицерин (50%): -21,4°C
• Глицерин (70%) + Вода (30%): -41,5°C

Когда учитывается

При рассмотрении различных свойств материалов часто уделяется внимание и теплопроводности. Этот показатель важен в нижеприведенных случаях:

1. Когда нужно отвести тепло от объекта. Тепловая энергия может возникать из-за трения. При этом нагрев становится причиной изменения основных свойств металлов и сплавов: прочности и твердости поверхности. Примером назовем конструкцию двигателя внутреннего сгорания. В процессе хода поршня в блоке цилиндров происходит нагрев основных элементов конструкции. Из-за слишком высокого нагрева даже металлы, устойчивые к воздействию высокой температуры, начинают терять прочность и становятся более пластичными. В результате происходит изменение геометрических размеров важных элементов конструкции, и она выходит из строя. Учитывается теплопроводность и при создании режущего инструмента, обшивки самолетов или высокоскоростных поездов.
2. Когда нужно передать тепловую энергию. Центральная система отопления основана на нагреве рабочей среды, которая после подводится к потребителю и происходит передача энергии окружающей среде. Для того чтобы повысить эффективность создаваемой системы трубы, и отопительные радиаторы изготавливаются из металлов, которые способны быстро передавать тепло.
3. Когда нужно изолировать поверхность. Встречается ситуация, когда нужно снизить вероятность нагрева поверхности. Для этого применяются специальные материалы, которые обладают высокими изоляционными качествами. Некоторые металлы и сплавы также обладают отражающими свойствами и не нагреваются, а также не передают тепло. Примером назовем фольгу, которая часто применяется в качестве отражающего экрана. Она также изготавливается из тонкого слоя металла, обладающего низким коэффициентом проводимости.

В заключение отметим, что до развития молекулярно-кинетической теории было принято считать передачу тепловой энергии признаком перетекания гипотетического теплорода. Появление современного оборудования позволило изучить строение материалов и изучить поведение частиц при воздействии высокой температуры. Передача энергии происходит за счет быстрого движения молекул, которые начинают сталкиваться, и приводит в движение другие молекулы, находящиеся в спокойном состоянии.