Лекция 2

Теплофизические свойства строительных материалов. Виды теплопередачи

1. Теплофизические свойства строительных материалов

Знание теплофизических свойств строительных материалов позволяет эффективно использовать их для обеспечения теплозащитных качеств ограждений. Величины теплотехнических показателей строительных материалов определяются экспериментально, основные значения приведены в СНиП ІІ-3-79** [1].

Плотность (объемная масса) ρ, кг/м³, представляет отношение массы вещества (т, кг) к объему вещества (V, м³) , т.е.

. (2.1)

Пористость. Строительные материалы содержат некоторое количество пор разных размеров. Пористость, Р, выражается в % и указывает объем, занимаемый порами по отношению к общему объему.

, (2.2)

где ρ – плотность материала с учетом пор, ρ_о – то же только твердой части (без пор).

Влажность. Представляется содержанием в материале химически свободной воды по массе

или по объему, (2.3)

где т₁ и т₂ – масса сухого и влажного материала; V₁ и V₂ – объем влаги в материале и объем сухого материала, м³.

Теплопроводность. Передача тепла в материале осуществляется теплопроводностью через твердые частицы, так и теплопроводностью, конвекцией и излучением между стенками пор. Характеризуется коэффициентом теплопроводности (λ), Вт/(м∙^оС). В расчетах принимается коэффициент теплопроводности как осредненный, учитывающий все виды теплоперехода. Основное влияние на теплопроводность оказывают тепловые колебания атомов. Чем тяжелее атомы или атомные группы и слабее они между собой связаны, тем меньше теплопроводность материала. Наименьшим значение λ у воздуха (0,023), наибольшее у меди (407).

Величина коэффициента теплопроводности на основании экспериментальных исследований устанавливаются зависимостью между количеством проводимого тепла (Q, Дж), площадью (F, м²) и толщиной исследуемого материала (δ, м), временем замера (τ, с) и создаваемом при этом перепаде температур (Δ t, ^оС) следующим образом

= Дж/(м²∙с∙^оС/м) = Вт/(м∙^оС). (2.4)

Коэффициент теплопроводности в свою очередь зависит от:

- плотности и пористости материала. Т.к. теплопроводность воздуха меньше теплопроводности любых материалов, то повышение пористости приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности. Особенно благоприятны мелкие поры. В крупных порах выше определенного предела происходит рост λ из-за возникновения конвективных токов. Чем плотнее материал, тем больше величина λ;

- влажности. Поры заполняются влагой и замена воздуха на воду способствует увеличению λ. Коэффициент теплопроводности влажного материала по отношению к сухому с λ_о, определяется условно линейной зависимостью

. (2.5)

Здесь β коэффициент зависящий от материала (керамзитобетон β = 0,105, пенобетон β = 0,011 и т.п.). Условия эксплуатации конструкции (характеристики микроклимата и окружающей среды) также накладывают отпечаток на теплофизические характеристики материала, В инженерных расчетах это учитывается т.н. режимом эксплуатации (“А” иди ”Б”, определяемых по СНиП [2]);

- температуры. В общем виде наблюдается линейный закон роста коэффициента теплопроводности в виде

. (2.6)

Здесь λ_о коэффициент теплопроводности при 0 ^оС; b – коэффициент, величина которого колеблется в пределах 0,0001 – 0,001 и зависит от вида материала (принимается по таблицам Б.Н. Кауфмана, исключение составляют магнезиальный кирпич и металлы и их соединения, кроме алюминия и латуни). В строительной практике обычных зданий этой зависимостью пренебрегают, она учитывается только при теплоизоляции оборудования с очень низкими или высокими температурами;

- анизотропности – неравномерности теплопроводности в различных направлениях. Этим свойством обладают большинство слоистых материалов и, особенно, древесина. Так у дуба поперек волокон λ практически вдвое меньше, чем у дуба вдоль волокон.

Теплоемкость – способность материалов поглощать (отдавать) тепло при повышении (понижении) температуры окружающего воздуха. Характеризуется массовой теплоемкостью материала (с, кДж/кг∙^оС), которая зависит от удельной теплоемкости (с_о) и влажности материал (w, %). Приближенно зависимость имеет вид

. (2.7)

Часто при решениях линейных уравнений используется понятие объемной плотности сρ. В случаях постоянных значений λ и сρ вводится понятие коэффициента температуропроводности (а, м²/с), являющегося отношением указанных величин и равным .