Коэффициент теплопроводности разных видов кирпича

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Подробный обзор

Понятие коэффициента теплопроводности

Эта величина определяет количество тепла, проходимое через единицу объема образца при разнице температур в 1 градус Цельсия. Единица измерения – Вт/(м*C). Чем больше эта характеристика, тем выше способность материала передавать тепло и тем хуже он выполняет функции теплоизолятора.

Бетон имеет неоднородную структуру. Теплопередача определяется компонентами, входящими в состав строительного материала. Наименьшую теплопроводность имеет воздух, который находится в микропорах заполнителей и капиллярах цементного камня. Поэтому чем выше его содержание, тем лучше теплоизоляционные свойства бетонного элемента.

Закон теплопроводности Фурье

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

где  — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси,  — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность),  — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору (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):

где  — полная мощность тепловых потерь,  — площадь сечения параллелепипеда,  — перепад температур граней,  — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности с удельной электрической проводимостью в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

где  — постоянная Больцмана,  — заряд электрона,  — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

где  — плотность газа,  — удельная теплоёмкость при постоянном объёме,  — средняя длина свободного пробега молекул газа,  — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

где  — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа , для одноатомного ),  — постоянная Больцмана,  — молярная масса,  — абсолютная температура,  — эффективный (газокинетический) диаметр молекул,  — 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): , где  — размер сосуда,  — 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.

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.

Основные определения

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

Читайте также:  Как отапливаются дома сжижением газом в баллонах

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.

Основные определения

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).

Основные определения

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.

Основные определения

Теплопроводность цветных металлов, теплоемкость и плотность сплавов

Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов

В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.

Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда.

По данным таблицы видно, что высокую теплопроводность (при комнатной температуре) имеют магниевые сплавы и никель. Низкая же теплопроводность свойственна нихрому, инвару и сплаву Вуда.

Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов

Теплопроводность металлов, алюминиевых, медных и никелевых сплавов в таблице дана в интервале температуры от 0 до 600°С в размерности Вт/(м·град). Металлы и сплавы: алюминий, алюминиевые сплавы, дюралюминий, латунь, медь, монель, нейзильбер, нихром, нихром железистый, сталь мягкая. Алюминиевые сплавы имеют большую теплопроводность, чем латунь и сплавы никеля.

Коэффициенты теплопроводности сплавов

В таблице даны значения теплопроводности сплавов в интервале температуры от 20 до 200ºС. Сплавы: алюминиевая бронза, бронза, бронза фосфористая, инвар, константан, манганин, магниевые сплавы, медные сплавы, сплав Розе, сплав Вуда, никелевые сплавы, никелевое серебро, платиноиридий, сплав электрон, платинородий.

Удельное сопротивление и температурный коэффициент расширения (КТР) металлической проволоки (при 18ºС)

В таблице указаны значения удельного электрического сопротивления и КТР металлической проволоки, выполненной из различных металлов и сплавов.

Материал проволоки: алюминий, вольфрам, железо, золото, латунь, манганин, медь, никель, константан, нихром, олово, платина, свинец, серебро, цинк.

Как видно из таблицы, нихромовая проволока имеет высокое удельное электрическое сопротивление и успешно применяется в качестве спиралей накаливания нагревательных элементов множества бытовых и промышленных устройств.

Удельная теплоемкость цветных сплавов

В таблице приведены величины удельной (массовой) теплоемкости двухкомпонентных и многокомпонентных цветных сплавов, не содержащих железа, при температуре от 123 до 1000К. Теплоемкость указана в размерности кДж/(кг·град).

Дана теплоемкость следующих сплавов: сплавы, содержащие алюминий, медь, магний, ванадий, цинк, висмут, золото, свинец, олово, кадмий, никель, иридий, платина, калий, натрий, марганец, титан, сплав висмут — свинец — олово, сплав висмут-свинец, висмут — свинец — кадмий, алюмель, сплав липовица, нихром, сплав розе.

Также существует отдельная таблица, где представлена удельная теплоемкость металлов при различных температурах.

Удельная теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов

Удельная (массовая) теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов приведена в таблице при температуре от 0 до 1300ºС. Размерность теплоемкости кал/(г·град).

Теплоемкость специальных сплавов: алюмель, белл-металл, сплав Вуда, инвар, липовица сплав, манганин, монель, сплав Розе, фосфористая бронза, хромель, сплав Na-K, сплав Pb — Bi, Pb — Bi — Sn, Zn — Sn — Ni — Fe — Mn.

Плотность сплавов

Представлена таблица значений плотности сплавов при комнатной температуре. Приведены следующие сплавы: бронза, оловянистая, фосфористая, дюралюминий, инвар, константан, латунь, магналиум, манганин, монель — металл, платино — иридиевый сплав, сплав Вуда, сталь катаная, литая.

ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте внимательны! Плотность сплавов в таблице указана в степени 10-3. Не забудьте умножить на 1000! Например, плотность катанной стали изменяется в пределах от 7850 до 8000 кг/м3.

Источники:

Что такое теплопроводность?

На стадии проектирования любого дома, солидного коттеджа или дачной постройки наряду с архитектурными и конструктивными решениями, закладываются технические и эксплуатационные характеристики строения. Теплотехнические значения постройки напрямую зависят от материалов, из которых она возведена.

Читайте также:  Декоративные экраны для радиаторов отопления

В соответствии со СНип 23-01-99, СНиП 23-02-2003, СНип 23 -02-2004 разработаны

технологии обеспечения климатологии, тепловой защиты жилья, а так же правила их проектирования. Созданы таблицы теплопроводности, полезные при определении критериев материалов для создания благоприятного микроклимата в зависимости от их показателей теплопроводности.

Показатели теплопроводности строительных материалов

Под теплопроводностью понимается физический процесс передачи энергии от нагретых частиц к холодным до наступления теплового равновесия, до того как сравняются температуры. Для жилого строения процесс теплопередачи определяется время выравнивания температуры в нутрии его и снаружи. Соответственно, чем длительнее процесс выравнивания температур (зимой – охлаждения, летом – нагревания), тем выше показатель (коэффициент) теплопроводности.

Коэффициент это показатель количества тепла, которое за единицу времени теряется, проходя через поверхность стен. Чем выше, тем больше теряется тепла, чем ниже, тем лучше для жилого дома.

Важно!Задача проектирования в том, чтобы подобрать материалы с наиболее низким коэффициентом теплопроводности для возведения всех строительных конструкций

Таблица теплопроводности

Материал Плотность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/(м*С) Паропроницаемость, Мг/(м*ч*Па) Эквивалентная1(при сопротивлении теплопередаче = 4,2м2*С/Вт) толщина, м Эквивалентная2(при сопротивление паропроницанию =1,6м2*ч*Па/мг) толщина, м
Железобетон 2500
Бетон 2400
Керамзитобетон 1800
Керамзитобетон 500
Кирпич красный глиняный 1800
Кирпич, силикатный 1800
Кирпич керамический пустотелый (брутто1400) 1600
Кирпич керамический пустотелый (брутто 1000) 1200
Пенобетон 1000
Пенобетон 300
Гранит 2800 14.6
Мрамор 2800 12.2
Сосна, ель поперек волокна 500
Дуб поперек волокна 700
Сосна, ель вдоль волокна 500
Дуб вдоль волокна 700
Фанера 600
ДСП 1000
Пакля 150
Гипсокартон 800
Картон облицовочный 1000
Минвата 200
Минвата 100
Минвата 50
33
Пенополистирол экструдированный 45
Пенополистирол 150
Пенополистирол 100
Пенополистирол 40

Строительство домов из поризованного кирпича и их достоинства

Строительство домов из поризованного кирпича позволяет возвести прочное и надежное строение. Данный материал выдерживает нагрузку, которая равна 150 кг на кв. см. Поэтому из него можно возводить здания в девять этажей. Благодаря такой прочности, поризованный кирпич можно применять в любом типе строительства. Данный кирпич имеет удобные размеры, которые отличаются от стандартного кирпича. Производят поризованные кирпичи различных размеров. При этом толщина стены из этого материала будет составлять 250 мм. Высока и скорость строительства зданий, ее можно сравнить со скоростью возведения дома из газоблоков. Любая бригада строителей даже без большого опыта имеет возможность поставить коробку строения из поризованного кирпича всего лишь за одну неделю.

Строительство домов из поризованного кирпича и их достоинства

Поризованный кирпич имеет небольшую массу. Объемный вес материала менее 800 кг на куб. метр. Этот показатель можно сравнить лишь с газобетоном, который применяют при строительстве малоэтажных зданий. Низкая плотность снижает давление на фундамент, а это дает возможность возвести дом из поризованного кирпича практически на грунте любого вида.

Строительство домов из поризованного кирпича и их достоинства

Благодаря низкой теплопроводности кирпича, его называют одним из лучших строительных материалов. Схожая теплопроводность присутствует у газобетона. Стены из поризованного кирпича не нужно дополнительно утеплять. Для соблюдения норм по энергосбережению необходимо возвести стены, толщина которых не менее 40 см.

Здания, возведенные из поризованного кирпича, не боятся неблагоприятных погодных условий и атмосферных осадков. Материал выдерживает точно такое же число заморозки и разморозки, что и простой кирпич. Кроме того поризованный кирпич является инертным материалом по своим биологическим показателям, поэтому он не подвержен образования грибка или плесени. Исключением является только процесс гниения.

Строительство домов из поризованного кирпича и их достоинства

Внутри зданий, возведенных из поризованного кирпича, всегда благоприятный микроклимат. Этому способствуют поры, которые присутствуют в строительных блоках. Именно с их помощью регулируется естественная влажность внутри помещения. Дом, для строительства которого использовался поризованный кирпич, можно сопоставить со зданиями, построенными из дерева и газобетона. Такое здание обладает высочайшими санитарно-гигиеническими свойствами.

Устройство стены из поризованного кирпича

Строительство домов из поризованного кирпича и их достоинства

Дома из поризованного кирпича отличаются огнестойкостью, поскольку данный строительный материал подобно силикатному и глиняному, не горит и способен выдерживать воздействие открытого огня на протяжении нескольких часов.

Двойной поризованный кирпич, используемый для внутреннего и внешнего оформления здания, не имеет никаких ограничений. Отделочные работы можно осуществлять с применением самых различных материалов. При этом дом из поризованного кирпича можно не красить с внешней стороны, поскольку производят данный материал в большом ассортименте различных цветовых оттенков.

Факторы зависимости переноса тепла

Несущие ограждающие конструкции зданий делают из железобетонных панелей, блоков различного исполнения, кирпича, дерева. Физические свойства, определяющие их теплопроводность, одинаковы для всех материалов:

  • плотность способствует взаимодействию частиц, являющихся носителями энергии, поэтому с её возрастанием потери увеличиваются;
  • пористость создаёт проблемы для передачи тепла из-за промежутков воздуха с показателем λ, равном 0,026 Вт/м·°C при комнатной температуре;
  • структура отверстий в теле предмета — присутствие мелких каверн закрытого типа снижает потери тепла;
  • влажность влечёт вытеснение сухого воздуха из пор, а потому энергообмен частиц возрастает, и остывание или нагревание происходит быстрее.

Самым холодным из стеновых материалов считается железобетон с λ=1,29, а пеноблоки, имеющие коэффициент теплопроводности 0,08, сохраняют климат лучше всего. Керамиты также подчиняются приведённым закономерностям: теплопроводность пустотелого кирпича находится в пределах 0,4-0,7 Вт/м·°C, полнотелого — в 1,5 раза выше.

Читайте также:  Газовые котлы закрытого типа — выгодный вариант отопления дома

Особенности и отличия типов кирпича

Строительное назначение различных марок кирпича разное – это специальный кирпич, облицовочный и строительные марки. При возведении дома используют обычный строительный кирпич, для декорирования фасадов домов – облицовочные изделия, а специальные марки используют для особых условий эксплуатации конструкции из кирпича, например, в печи или камине.

Полнотелый кирпич

Особенности и отличия типов кирпича

Полнотелые кирпичные изделия, согласно технологии изготовления, имеют ≤ 13% воздушных пустот: такой кирпич подходит для строительства наружных и внутренних стен дома, колонн и столбов, перемычек и арок. Объекты из полнотелого кирпича могут выдерживать повышенную нагрузку из-за высоких показателей прочности по сжатию, изгибанию и морозоустойчивости. Параметры теплоизоляции кирпича, свойства водопоглощения и сцепляемость зависят от степени пористости изделия. Этот кирпич имеет средние показатели сопротивления к теплопередаче, поэтому стены дома рекомендуется делать достаточно толстыми (не менее 0,5 метра), и проводить утепление другими средствами.

Пустотелый кирпич производится с объемом пустот ≤ 45%, поэтому его вес меньше, чем у стандартного полнотелого кирпича. Его используют при строительстве внутренних перегородок, наружных стен и каркасов многоэтажных высотных домов. Форма пустот бывает сквозной или односторонней (закрытой с торца), в форме круга, квадрата, овала или прямоугольника. Формируют пустоты в вертикальном или горизонтальном направлении относительно продольной оси изделия.

Пустоты в и без того небольшом изделии экономят почти половину строительного материала и делают стены теплее. При укладке пустотелого кирпича необходимо контролировать консистенцию цементного раствора – он не должен растекаться по поверхности и заполнять пустоты, которые формируют в стене, о чем писалось выше.

Особенности и отличия типов кирпича

Пустотелый кирпич

Назначение облицовочного кирпича понятно из его названия – он используется для облицовки фасадов и боковых стен дома. Размеры облицовочных изделий такие же, как и у обычного строительного кирпича (можно приобрести и партию с уменьшенными размерами), что облегчает работу с ним. Кирпич для облицовки часто изготавливают с пустотами, что улучшает его потребительские характеристики – работая с таким кирпичом, можно сэкономить на дополнительной теплоизоляции стен.

Кирпич облицовочный

Особенности и отличия типов кирпича

Пример марок специальных кирпичей – теплоизолирующие и огнеупорные изделия. Обе марки используют при строительстве печей для обогрева и домашних каминов, а также промышленных плавильных печей. Материал для изготовления – шамотная глина с особыми свойствами огнеупорности. При этом разные технологии изготовления позволяют использовать огнеупорный кирпич для разных условий эксплуатации. Например, кирпич с огнеупорными свойствами может выдержать температуру больше 1600 °С, а теплоизолирующие марки кирпича применяют в технологиях теплоизоляции, например, при нагревании наружных стенок мартеновских печей, а также для предотвращения потерь тепла в зданиях. Для строительства наружных несущих стен дома огнеупорный кирпич не годится – из-за невысокой прочности на сжатие из него можно строить только внутренние перегородки в доме.

Огнеупорный кирпич

Основное предназначение клинкерного кирпича – облицовка фундаментов домов. Эта марка имеет высокий коэффициент морозоустойчивости, механической прочности и водопоглощения, так как для его изготовления используют тугоплавкую глину. Сырой клинкерный кирпич обжигается при более высоких температурах, чем при обжиге обычных марок кирпича.

Особенности и отличия типов кирпича

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.