Коэффициент теплопроводности и теплопередачи стали, сплавов

Содержание

Подробный обзор

Влияние теплопроводности на микроклимат внутри помещения

Среди большого разнообразия материалов бетонный массив считается достаточно популярным. Его ключевым свойством считается степень теплопередачи. Чтобы избежать непредвиденных теплопотерь, нужно учитывать это значение еще при составлении проекта теплоизоляции. В таком случае постройка будет как надежной и долговечной, так и комфортной для пребывания.

Если определить коэффициент теплопроводности бетона и найти подходящие материалы теплоизоляции, это позволит получить такие преимущества:

  • снизить затраты тепловой энергии;
  • уменьшить расходы на отопление;
  • организовать в помещении комфортный микроклимат.
Влияние теплопроводности на микроклимат внутри помещения

Зависимость микроклимата в доме от степени теплопередачи объясняется следующими особенностями:

  1. По мере роста значений увеличивается интенсивность подачи тепла. В результате помещение быстрее остывает, но так же быстрее прогревается.
  2. Если теплопередача снижается, тепло долго удерживается внутри здания и не выходит наружу.

В результате степень проводимости тепловой энергии становится ключевым фактором, определяющим комфорт пребывания в доме. В зависимости от особенностей материала, он может обладать разной структурой и свойствами, а также теплопроводностью. Перед выбором блоков нужно внимательно изучить их эксплуатационные свойства и подготовить грамотный проект.

Как влияет теплопроводность бетона на микроклимат внутри помещения

Из множества строительных материалов, применяемых для возведения зданий, одним из наиболее распространенных является бетон. Среди главных рабочих характеристик материала выделяется коэффициент теплопроводности бетона. На этапе проектирования необходимо предусмотреть применение в процессе строительства теплоизоляционных материалов, позволяющих превратить возведенную железобетонную конструкцию в жилое строение. Ведь важно возвести не только устойчивое, экологически чистое и оригинальное здание, но и создать благоприятные условия для проживания.

Зная теплопроводность бетонного массива, и правильно выбрав теплоизоляционные материалы, можно добиться значительных результатов:

  • существенно сократить тепловые потери;
  • снизить затраты на обогрев помещения;
  • обеспечить внутри здания комфортный микроклимат.

Влияние уровня теплопроводности на внутренний микроклимат выражается простой зависимостью:

Как влияет теплопроводность бетона на микроклимат внутри помещения
  • при возрастании коэффициента, интенсивность тепловой передачи возрастает, и строение, возведенное из материала с такими характеристиками, быстрее остывает и, соответственно, ускоренными темпами нагревается;
  • снижение способности бетонного массива передавать тепло позволяет на протяжении увеличенного периода времени сохранять внутри помещения комфортную температуру, с соответственным уменьшением тепловых потерь.

Зная теплопроводность бетонного массива можно обеспечить внутри здания комфортный микроклимат

Если подытожить, то степень теплопроводимости бетона является определяющим фактором, влияющим на комфортность жилища. Различные виды бетона отличаются структурой массива, свойствами применяемого наполнителя и, соответственно, степенью теплопроводности. Важно использовать такие марки бетона совместно с утеплителями, чтобы обеспечить надежное удержание бетонным массивом тепла в помещении. Выбор применяемых для строительства материалов производится на проектной стадии.

Что влияет на показатель?

Пористая смесь обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, чего не скажешь про материал высокой плотности.

От теплопроводности материала, из которого построен дом, зависит микроклимат в нем. При выборе сырья для сооружения стен учитывают все факторы, влияющие на изоляционные способности. Выбрав бетон, как основной стройматериал, рекомендуется учитывать такие показатели:

  • Плотность. Высокое значение свидетельствует о близком расположении молекул материала друг к другу, что способствует более быстрой передаче тепла. Такой бетон является более прочным, но в то же время малоэффективен для утепления помещения. Плотный вид стройматериала требует дополнительных расходов на теплоизоляцию.
  • Пористость. Поризованная структура бетона делает материал неоднородным, что препятствует быстрой передачи тепла. Поэтому большое количество пустот свидетельствует о хороших теплоизоляционных свойствах. Теплопроводность керамзитобетона меньше чем у жестких бетонов в 5 раз. Минусом такого сырья является низкая прочность, что препятствует использованию материала при возведении несущих конструкций.
  • Влажность. Мокрые стены лучше проводят тепло, поэтому дома, построенные на влажном фундаменте без хорошей гидроизоляции склонны к повышению теплоотдачи.

Коэффициент теплопроводности

В поисках хорошего материала для строительства необходимо определить, как меняется степень теплопроводности в зависимости от типа и модели монолита.

Коэффициент для различных видов монолита

Для сравнения показателей теплопроводности следует ознакомиться с таблицей, охватывающей свойства всех типов материала. Наименьшая степень присутствует у пористых конструкций:

Коэффициент теплопроводности
  1. Сухие блоки и газонаполненный бетон обладают небольшой теплопроводностью. Она зависит от показателей плотности. Если удельный вес блока составляет 0,6 т/м³, коэффициент составит 0,14. При плотности 1 т/м³ — 0,31. Если влажность находится на базовом уровне, показатели увеличатся от 0,22 до 0,48. При повышении влажности — от 0,25 до 0,55.
  2. Бетон с наполнением керамзитом. С учетом значений плотности определяется теплопроводность. Изделие с плотностью 0,5 т/м³ получит показатель 0,14. По мере увеличения плотности до 1,8 т/м³ свойство вырастет до 0,66.

Еще коэффициент зависит от применяемых наполнителей. Так, если тяжелый бетон (2,4 т/м³) будет иметь в составе щебенку, параметр составит 1,51.

При использовании шлака теплопроводность составит 0,3-0,7. Изделия на основе кварцевого или перлитового песка с плотностью 0,8-1 получат проводимость тепла 0,22-0,41.

Факторы влияющие на коэффициент

Коэффициент теплопроводности

Степень проводимости бетона любой марки определяется множеством факторов. В их числе:

  1. Структура массива. Если в монолите присутствуют воздушные полости, передача тепла будет медленной и без больших потерь. По мере увеличения пористости теплоизоляция улучшается.
  2. Удельный вес массива. Монолит обладает разной плотностью, которая определяет его структуру и интенсивность обмена тепла. При росте показателей плотности растет и теплоотдача. В результате конструкция быстрее лишается тепла.
  3. Содержание влаги в стенах из бетона. Массивы с пористой структурой гигроскопичны. Остатки влаги, находящейся в капиллярах, могут просачиваться в бетон и заполнять воздушные поры, способствуя быстрой передаче тепла.
Читайте также:  Схема подключения электрокотла в систему отопления

При выполнении расчетов нужно учитывать, что снижение влажности минимизирует проводимость тепла, из-за чего уровень теплопотерь становится невысоким.

С помощью пористых компонентов можно защитить постройку от быстрого расходования тепла и обеспечить хорошие климатические условия в здании. Изделия с низкой теплопроводностью эффективны при изоляции помещений, поэтому их применяют в северных регионах с суровыми зимами.

Коэффициент теплопроводности

Теплопроводность и утепление зданий

Приступая к организации эффективной теплозащиты частного жилища, важно обращать внимание на тип материала, из которого создаются стены. С учетом специфики конструкции и эксплуатационных свойств, выделяют такие разновидности бетонных масивов:

  1. Конструкционные. Необходимы при возведении капитальных стен. Их характеризует повышенная устойчивость к нагрузкам и способность быстро пропускать тепловую энергию.
  2. Материалы для теплоизоляции. Задействуются при обустройстве помещений с минимальными нагрузками на стены. Обладают небольшим весом, пористым строением и малой теплопередачей.

Чтобы в помещении всегда сохранялась комфортная температура, рекомендуется использовать для возведения стен разные виды бетона. Однако в таком случае показатели толщины стен будут меняться. Оптимальный уровень проводимости тепла возможен при таких параметрах толщины:

  1. Пенобетон — не больше 25 см.
  2. Керамзитобетон — до 50 см.
  3. Кирпичи — 65 см.
Коэффициент теплопроводности

Как производится расчет

Для сохранения тепла внутри дома и сокращения потерь тепловой энергии несущие стены делаются многослойными. Чтобы рассчитать толщину слоя изоляции, необходимо руководствоваться следующей формулой — R=p/k.

Она имеет следующую расшифровку:

  • R — показатель устойчивости к скачкам температуры;
  • p — толщина слоя в метрах;
  • k — Проводимость тепла монолитом.

С помощью такой формулы можно благополучно выполнить расчет с помощью простого калькулятора. Это решается путем разделения толщины на коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности

Сравнительная характеристика теплоемкости основных строительных материалов

Для того, чтобы сравнить теплоемкость наиболее популярных строительных материалов, таких дерево, кирпич и бетон, необходимо рассчитать величину теплоемкости для каждого из них.

В первую очередь нужно определиться с удельной массой дерева, кирпича и бетона. Известно, что 1 м3 дерева весит 500 кг, кирпича – 1700 кг, а бетона – 2300 кг. Если мы берем стенку, толщина которой составляет 35 см, то путем нехитрых расчетов получим, что удельная масса 1 кв.м дерева составит 175 кг, кирпича – 595 кг, а бетона – 805 кг. Далее выберем значение температуры, при которой будет происходить накопление тепловой энергии в стенах. Например, это будет происходить в жаркий летний день с температурой воздуха 270С. Для выбранных условий рассчитываем теплоемкость выбранных материалов:

Сравнительная характеристика теплоемкости основных строительных материалов
  1.  Стена из дерева: С=СудхmудхΔТ; Сдер=2,3х175х27=10867,5 (кДж);
  2.  Стена из бетона: С=СудхmудхΔТ; Сбет=0,84х805х27= 18257,4 (кДж);
  3.  Стена из кирпича: С=СудхmудхΔТ; Скирп=0,88х595х27= 14137,2 (кДж).

Из произведенных расчетов видно, что при одинаковой толщине стены наибольшим показателем теплоемкости обладает бетон, а наименьшим – дерево. О чем это говорит? Это говорит о том, что в жаркий летний день максимальное количество тепла будет накапливаться в доме, выполненном из бетона, а наименьшее – из дерева.

Этим объясняет тот факт, что в деревянном доме в жаркую погоду прохладно, а в холодную погоду тепло. Кирпич и бетон легко накапливают в себе достаточно большое количество тепла из окружающей среды, но так же легко и расстаются с ним.

Сравнительная характеристика теплоемкости основных строительных материалов

Теплопроводность дерева таблица, схема

Противоположные поверхности материала имеют разные температуры. Из-за этого образуется тепловой поток, с помощью которого можно определить теплопроводность. В данной статье мы изучим конкретный строительный материал – дерево. Помогут изучить вопрос подробные таблицы, а также видеозаписи.

Чем хорошо дерево? Материал легок в обработке, с ним можно самостоятельно возвести частный дом. Один из самых очевидных плюсов дерева – это его цена. В России древесный ресурс есть в достатке.

Теплопроводность – изучаем свойство

Древесина удобна для строительства коттеджей, дач и частных домов по той причине, что её теплопроводность не меняется при широком температурном диапазоне – от -40°C до +40°С. Но есть и другие факторы, от которых зависит теплопроводность того или иного материала. К примеру, влажность – она оказывает наибольшее влияние на показатель теплопроводности.

Таблица ниже наглядно демонстрирует теплопроводность различных пород дерева:

Разобраться с таблицей довольно легко: чем ниже коэффициент проводимости, тем лучше материал. Для обозначения теплопроводности используется буква «R». Теперь стоит рассмотреть разные породы, а поможет в этом таблица.

Породы древесины для строительства

О пробковом дереве мы пока говорить не будем, так как построить из него дома будет довольно проблематично. Что касается лучшего варианта, то им является кедр. Он имеет самый низкий коэффициент – 0,095 Вт/(м*С). Коттедж или дача, построенная из кедрового дерева, получится самой теплой, если сравнивать с постройками из других древесных материалов.

Важным моментом является показатель толщины, который влияет на теплопроводность дерева. Буквой «R» определяется соотношение толщины слоя и проводимости тепла. В идеале показатель «R» должен быть 3 или 4. К примеру, чтобы получить R=3 при строительстве дома из кедра, необходимо делать толщину стен не менее 30 сантиметров.

Таблица физических свойств дерева. Они также влияют на коэффициент проводимости тепла между противоположными поверхностями материала.

Ель является не менее удачным материалом для постройки частного дома, при этом она имеет показатель 0,110 Вт/(м*С).

Читайте также:  Востребованные котлы отопления длительного горения на дровах

Чтобы R был около трех, потребуются слои 33-35 см. Береза, сосна, пихта – эти породы уже идут с большим отрывом – 0,150 Вт/(м*С). Если есть желание, чтобы частный дом, коттедж или дача была построена из березы или пихты, то необходимо позаботиться о толщине стен.

Чтобы добиться R=3 потребуются стены 45 см.

Далее идут самые «холодные» породы:

  • Дуб – 200 Вт/(м*С);
  • Клен — 190 Вт/(м*С);
  • Тополь – 170 Вт/(м*С).

Разумеется, что дубовый дом смотрелся бы оригинально и роскошно, но для R=3 стена такой постройки должна быть 55-60 см. Да и найти рубанок с толщиной полметра будет проблематично.

Расположение волокон

Коэффициент теплопроводности может отличаться в зависимости от расположения волокон. В таблице можно увидеть, что напротив некоторых материалов стоит указание – вдоль волокон или поперек. Показатель теплопроводности тепла вдоль волокон обычно равен 0.4. В минусовые температуры материал будет замерзать в четыре раза сильнее вдоль волокон, чем поперек. Об этом могут сообщить промерзшие углы, которые можно наблюдать у многих деревянных построек.

Чтобы понимать разницу между деревом и другими материалами, использующимися для строительства, стоит ознакомиться с этим графиком :

Также, если напротив определенной породы указано «вдоль волокон», то стоит знать, что торцы стропил или брусьев будут быстрее промерзать при небольших морозах.

Такие материалы не рассчитаны для суровых зим, так они несут холод в помещения вдоль волокон. Теперь можно вернуть к пробковому дереву, которое имеет минимальный коэффициент.

Использовать его в строительстве нельзя по той причине, что пробка имеет минимальную прочность. Но зато эта порода отлично подходит для утепления.

Особенности конструкции из древесины

Для строительства дач, коттеджей, а также частных домов используется стандартный брус с толщиной 100-150 миллиметров. Брус изготавливают из хвойных пород, которые имеют оптимальное соотношение теплопроводности и стоимости. Толщина стены из хвойного дерева должна быть около 45 сантиметров для снижения проводимости, а брус имеет толщину около 15 см. В чем же дело? Сегодня в строительстве не используется только один материал, ведь это не выгодно.

Полезная таблица для тех, кто собирается возводить постройки из древесины.

Более рационально делать относительно тонкие стены с утеплением. Особенно оно требуется в холодных регионах, где температура -20°C является обычным делом. Помимо подходящего для частных домов показателя теплопроводности, древесина обладает и другими полезными свойствами, которых нет у бетона, кирпича:

  • Обрабатываемость;
  • Упругость;
  • Износостойкость.

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала

Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

Читайте также:  Дверь топочная для русской печи. Установка печной дверки.

Профилированный брус

Профилированный брус — это брус, при изготовлении которому придается строго определенная форма. Этот материал более технологичен в строительстве. Дома из профилированного бруса стремительно завоевали популярность и в настоящее время это один из самых популярных видом брусовых домов.

Профилированный вариант отличается от обычного тем, что каждому изделию придается определенный профиль. В подавляющем большинстве случаев этот профиль представляет собой прямоугольник с трапециевидной выемкой в нижней части. К преимуществам профилированного, особенно сухого, относят минимальную усадку и низкие теплопотери по всей длине стыка. Как правило, дома из такого материала не требуют конопатки.

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 2Таблица 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.

Теплоэффективность разных видов металлов. Часть 1Теплоэффективность разных видов металлов. Часть 2Теплоэффективность разных видов металлов. Часть 3

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 дереваПрочность 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

Теплопроводность бетона и утепление зданий

Решение о теплоизоляции стен возводимых зданий принимается в зависимости от того, из каких видов бетона производится сооружение стен. Бетонные изделия делятся на следующие виды:

  • конструкционные, применяемые для капитальных стен. Отличаются повышенной нагрузочной способностью, увеличенной плотностью, а также способностью ускоренными темпами проводить тепло;
  • теплоизоляционные, используемые в ненагруженных конструкциях. Характеризуются уменьшенным удельным весом, ячеистой структурой, благодаря которой снижается теплопроводность стен.

Таблица теплопроводности строительных материалов: коэффициенты

Теплопроводность бетона и утепление зданий

Для поддержания комфортной температуры в помещении можно возводить стены из различных видов бетона. При этом толщина стен будет существенно изменяться. Одинаковый уровень теплопроводности капитальных стен обеспечивается при следующей толщине:

  • пенобетон – 25 см;
  • керамзитобетон – 50 см;
  • кирпичная кладка – 65 см.

Для поддержания благоприятного микроклимата, в рамках мероприятий по энергосбережению, выполняется теплоизоляция строительных конструкций. На стадии разработки проекта специалисты определяют возможные пути потери тепла и выбирают оптимальный вариант утеплителя.

Сравнительный график коэффициентов теплопроводности некоторых строительных материалов и утеплителей

Основной объем тепловых потерь происходит из-за недостаточно эффективной теплоизоляции следующих частей здания:

Теплопроводность бетона и утепление зданий
  • поверхности пола;
  • капитальных стен;
  • кровельной конструкции;
  • оконных и дверных проемов.

При профессиональном подходе и выборе эффективных утеплителей можно сделать свой дом более комфортным, а также сэкономить значительный объем денежных средств на отоплении.