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 теплопроводностикак 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 .