Теплопроводность.

Теплопроводность есть способность материала проводить тепло через свою массу. Степень теплопроводности материала характеризуется величиной его коэффициента теплопроводности λ. Коэффициент теплопроводности показывает количество тепла в Вт которое будет проходить за 1 ч через 1 м плоской стенки толщиной 1 м при разности температур на ее поверхностях, равной 1°С. Коэффициенты теплопроводности строительных материалов изменяются в пределах от λ =0,035 (мипора, пенополистирол) до λ =3 Вт/(м ·°С) (гранит). Металлы имеют еще большие величины коэффициента теплопроводности. Величина коэффициента теплопроводности для одного и того же материала не является величиной постоянной, она может изменяться в зависимости от его объемного веса, влажности, температуры и направления теплового потока. Зависимость коэффициента теплопроводности материала от его объемного веса. С увеличением объемного веса (уменьшением пористости) коэффициент теплопроводности материала возрастает и наоборот. Изменение коэффициента теплопроводности строительных материалов с изменением их объемного веса происходит вследствие того, что всякий строительный материал состоит из основного вещества - скелета (кварца, кальцита, глинозема и т.п.) и воздуха, находящегося в порах материала.

Коэффициент теплопроводности самого материала равен некоторой средней величине между коэффициентом теплопроводности основного вещества материала и коэффициентом теплопроводности воздуха, содержащегося в порах. Чем меньше пор в материале, а следовательно, чем больше его объемный вес, тем больше и его коэффициент теплопроводности и наоборот.

Единой для всех материалов зависимости между теплопроводностью материала и его объемным весом не существует, так как на величину коэффициента теплопроводности оказывают влияние кроме пористости также размер пор и структура материала. При одинаковой пористости величина λ, будет тем больше, чем крупнее поры материала, так как с увеличением размера пор повышается коэффициент теплопроводности воздуха, заключенного в порах.

На коэффициент теплопроводности влияет также величина контактных площадок между отдельными частицами материала: чем эти площадки будут больше, тем выше будет и λ. Кроме того, имеет значение, будут ли поры замкнутыми или сообщаться между собой. При сообщающихся порах в материале могут возникать конвекционные токи воздуха, что приводит к увеличению его коэффициента теплопроводности.

На величину коэффициента теплопроводности материала оказывает влияние теплопроводность основного вещества (скелета).

Лучшими теплотехническими показателями обладают легкие материалы. Если для получения удовлетворительных теплотехнических качеств наружных стен жилых зданий в условиях Москвы толщина стены из обычного кирпича должна быть в 2,5 кирпича, то при применении пористого кирпича с объемным весом 1200 кг/м³ и легкого шлакового раствора эта толщина снижается до 1,5 кирпича.

Для сыпучих материал коэффициент теплопроводности уменьшается с уменьшением объемного веса и величины их зерен. Чем мельче частицы сыпучего материала, тем меньше воздушные полости, разделяющие частицы, а следовательно, и меньше теплопроводность содержащегося в них воздуха; кроме того, по мере измельчения частиц уменьшается и объемный вес материала, и количество проводящего тепло вещества.

Во всех справочниках и формах параллельно со значениями λ, материала приводятся значения γ, что необходимо для правильного выбора коэффициента теплопроводности.

Зависимость коэффициента теплопроводности материала от его влажности.Влажность материала в значительной степени определяет его коэффициент теплопроводности. С повышением влажности материала резко повышается и его коэффициент теплопроводности.

Повышение коэффициента теплопроводности материала с увеличением его влажности объясняется тем, что вода, находящаяся в порах материала, имеет коэффициент теплопроводности λ =0,5 Вт/(м ·°С), т.е. в 20 раз больший, чем λ воздуха в порах среднего размера. Кроме того, влага в порах материала увеличивает размеры контактных площадок между частицами материала, что также повышает его коэффициент теплопроводности.

Большая интенсивность возрастания коэффициента теплопроводности материала при малой влажности объясняется тем, что при увлажнении материала сначала заполняются водой более мелкие поры и капилляры, влияние которых на теплопроводность материала больше, чем крупных пор. Еще более резко возрастает коэффициент теплопроводности в том случае, если влажный материал промерзнет, так как лед имеет коэффициент теплопроводности λ =2 Вт/(м ·°С), т. е. в 4 раза больший, чем вода, и в 80 раз больший, чем воздух в порах материала. Однако необходимо учитывать, что замерзание влаги в порах материала происходит при температуре ниже 0°С, причем, чем меньше размер пор, тем при более низких температурах будет замерзать влага во влажном материале. Замерзание влаги в строительных материалах происходит постепенно по мере понижения температуры. Очевидно, какое большое влияние на теплотехнический режим ограждения оказывает его влажностное состояние. О причинах повышения влажности материала в наружных ограждениях, расчете влажностного режима, а также о мерах, обеспечивающих нормальный влажностный режим ограждений, сказано во второй части.

Зависимость коэффициента теплопроводности материала от его температуры.Коэффициент теплопроводности материала увеличивается с повышением его средней температуры, при которой происходит передача тепла. Увеличение теплопроводности материалов с повышением их температуры происходит в результате увеличения теплопроводности основной их массы из-за возрастания кинетической энергии молекул. Кроме того, с повышением температуры возрастает и теплопроводность воздуха в порах материала, а также интенсивность передачи в них тепла излучением. В строительной практике зависимость теплопроводности от температуры практического значения не имеет, так как изменение температуры материала в строительных ограждениях редко превышает 60 °С. В практике теплоизоляции поверхностей с высокой температурой, где изменения температуры могут быть значительными, эту зависимость приходится учитывать. Для пересчета значений коэффициентов теплопроводности материалов, полученных при температурах до 100°С, на значения их при 0°С служит эмпирическая формула О.Е. Власова

где ₀ - коэффициент теплопроводности материала при 0 °С; - коэффициент теплопроводности материала при t °С; t - температура материала, при которой коэффициент теплопроводности его равен , β - коэффициент для различных строительных материалов, равный примерно 0,0025. В справочниках и руководствах параллельно с указанием величины коэффициента теплопроводности материалов приводятся также температуры, при которых получен этот коэффициент.

Зависимость величины коэффициента теплопроводности от направления теплового потока наблюдается только у анизотропных материалов. Коэффициент теплопроводности древесины значительно увеличивается при направлении теплового потока параллельно направлению волокон, например для сосны на 100%. Различие в величинах коэффициентов теплопроводности дерева в зависимости от направления теплового потока объясняется тем, что при направлении, перпендикулярном волокнам, тепловом потоку приходится пересекать большое количество воздушных зазоров, находящихся внутри волокон древесины и между ними и оказывающих сопротивление прохождению тепла. При направлении теплового потока параллельно волокнам тепловой поток будет идти по стенкам волокон, и в этом случае сопротивление воздуха, заключенного в древесине, будет значительно меньше.

Направление теплового потока влияет на величину коэффициента теплопроводности также у прессованных материалов или материалов, .имеющих волокнистую структуру, и у кристаллов. У изотропных материалов направление теплового потока не влияет на их коэффициент теплопроводности. Увеличением коэффициента теплопроводности древесины при потоке тепла вдоль волокон объясняется резкое понижение температуры в наружных углах деревянных бревенчатых или брусковых стен. При выборе значений коэффициента теплопроводности древесины необходимо учитывать расположение дерева в конструкции и направление теплового потока, например, для деревянного дощатого пола коэффициент теплопроводности древесины будет меньше, чем для пола из торцовых шашек, так как в первом случае поток тепла имеет направление, перпендикулярное волокнам древесины, а во втором параллельное им.

Выбор расчетных значений коэффициентов теплопроводности строительных материалов.Самой трудной и ответственной частью теплотехнических расчетов является выбор расчетных величин коэффициентов теплопроводности материалов, входящих в конструкцию. В СНиП II—3-79*(издание 98 года) для каждого материала даются три значения коэффициента теплопроводности - для сухого состояния, для нормальной влажности, для повышенной влажности. Выбор значений X делается в зависимости от относительной влажности воздуха в помещении и от влажностно-климатической характеристики места строительства. Если рассматриваемый материал по составу и по объемному весу совпадает с одним из материалов, приведенных в СНиП, то величина коэффициента теплопроводности материала берется непосредственно по нормам. Если объемный вес материала отличается от приведенного в СНиП, его расчетный коэффициент теплопроводности определяется по интерполяции между известными значениями для других объемных весов или по экстраполяции за пределами крайних значений.