Při stavbě domu je třeba vzít v úvahu jeho tepelnou účinnost, aby byla místnost teplá nebo studená. K tomu existuje koeficient tepelné vodivosti, což znamená rychlost, jakou energie prochází materiálem. Musíte vědět, co ovlivňuje tepelnou vodivost a jak ji určit, a také jaké jsou hlavní funkce tepelné vodivosti a proč je potřeba. Je důležité pochopit, které materiály mají nízké nebo vysoké CFC, pokud potřebujete něco postavit.
Co je tepelná vodivost
Teoreticky je tepelná vodivost schopnost materiálu vést energii nebo teplo z teplejších částí do chladnějších částí prostřednictvím chaotického pohybu tělesných částic. V praxi se jedná o minimalizaci tepelných ztrát stavebními konstrukcemi. Různé materiály mají svou vlastní tepelnou vodivost. Dřevo je pro takové akce méně poddajné, ale kov se naopak zahřívá do takové míry, že se těžko drží v rukou.
Aby charakterizovali tepelný vodič, přišli s jednotkou zvanou koeficient. Označuje se řeckým písmenem λ a měří se ve W/(m*℃). Někdy jsou v tomto vzorci místo stupňů Celsia uvedeny stupně Kelvina (K), ale to na podstatě nic nemění. Tento koeficient ukazuje schopnost materiálu přenášet teplo na určitou vzdálenost za jednotku času. Indikátor však charakterizuje látku samotnou, aniž by byl vázán na velikost produktu.
Při nákupu stavebních materiálů od prodejce můžete požádat o pas pro výrobek a podívat se na koeficient tepelné vodivosti. Jako radiátory se používají suroviny vyznačující se vysokou tepelnou vodivostí, protože jejich stěny budou přenášet teplo z chladicí kapaliny.
Čím nižší je koeficient tepelné vodivosti materiálu pro stěnu budovy, tím méně tepla ztratí během chladného počasí. A tím menší tloušťku stěny lze vyrobit. Referenční knihy nejčastěji uvádějí několik hodnot tepelné vodivosti pro materiál (ze tří nebo více). To je způsobeno tím, že samotný koeficient se mění v závislosti na teplotě a dalších faktorech, jako je vlhkost, při které se hodnota zvyšuje.
Účel tepelné vodivosti
Vzhledem k tomu, že tepelná vodivost je ukazatelem přenosu tepelné energie z ohřívaných předmětů na předměty s nižší teplotou, proces pokračuje, dokud se stupně nevyrovnají. Při stavbě budov je vhodné používat materiály s minimální tepelnou vodivostí.
Pro snížení vyhřívání místnosti od slunečního záření se používají nátěry s reflexním povrchem (pozinkované, zrcadlové panely) a pro jeho zvýšení látky dobře absorbující světlo (bitumen, střešní lepenka).
Pojem součinitel tepelné vodivosti se týká množství tepla procházejícího 1 m tloušťky materiálu za 1 hodinu. Používá se k výpočtu charakteristik tepelně izolačních materiálů, které budou nutné k úspoře tepla v interiéru, a také schopnosti surovin rychle odstranit nebo déle udržet energii uvnitř konstrukce.
Jako základ radiátorů a topných trubek se používají vysoce vodivé materiály. K výrobě se používá hliník, měď nebo ocel pro jejich vysokou hustotu a dobrý přenos energie. Pro izolaci se používají suroviny s nízkou tepelnou vodivostí a vysokou porézností. Například plsť nebo sklolaminát pomáhají zlepšit energetickou účinnost.
Popis videa
Jak vypočítat obalovou transformátorovou stanici a požadované materiály, viz video:
Co ovlivňuje tepelnou vodivost
Vzhledem k tomu, že se teplo ve vzduchu přenáší pouze díky pohybujícím se částicím, hůře odvádějí teplo materiály, které mají porézní strukturu. Přenos energie je velmi závislý na počtu, hustotě, velikosti a tvaru prázdných prostorů v surovinách, ze kterých je stavba (dům, kamna nebo jakákoliv jiná) vyrobena.
Reflexní vlastnosti materiálu také ovlivňují energetickou účinnost. Pokud má povlak zrcadlový povrch, bude dostávat méně tepla ze slunečního světla a ohřívačů lamp.
Vlhkost hraje hlavní roli v přenosu energie surovinami. Vlhký vzduch může zvýšit rychlost ochlazování, protože voda poměrně silně a rychle absorbuje teplo a vlhké stěny se snadněji ochlazují.
Tepelná vodivost materiálu je také ovlivněna jeho vrstvením a vláknitými vlastnostmi. Například podlaha, která je pokryta dřevěným blokem, vede více energie než panel nebo prkenné parkety. To je způsobeno tím, že u dřevěných výrobků je tepelný odpor napříč vlákny 2x vyšší než podél spojů. Těmto vlastnostem podléhají i umělé materiály s vrstvenou strukturou.
Tepelná vodivost je ovlivněna hustotou kontaktu jednoho materiálu s druhým. Například stěna, ke které těsně přiléhá železný povrch, rychleji vychladne. Ale to funguje i v opačném směru. Pokud je mezi dvěma částmi vrstva vzduchu nebo plynu, přenos energie se sníží.
To se používá při výrobě oken vyrobených ze skla nebo plastových analogů. Někteří stavitelé také nechávají vzduchovou mezeru mezi dvěma rovnoběžnými stěnami nebo podlahami a základem.
Metody stanovení CTP
Existují 2 způsoby, jak určit CTP:
- Stacionární – zahrnuje práci s parametry, které se po dlouhou dobu nemění nebo se mírně mění. Výhodou této metody je vysoká přesnost výpočtu výsledku. Mezi nevýhody patří obtížná úprava experimentu, velké množství použitých termočlánků a také doba strávená přípravou a prováděním experimentu. Tato metoda je vhodná pro výpočet CFT kapalin a plynů, pokud se nebere v úvahu přenos energie konvekcí a zářením.
- Nestacionární – vizuálně vypadá jednodušeji a jeho dokončení vyžaduje 10 až 30 minut. Své široké uplatnění našel díky tomu, že v procesu výzkumu je možné zjišťovat nejen tepelnou vodivost, ale i teplotní vodivost a také tepelnou kapacitu vzorku.
K analýze tepelné vodivosti stavebních materiálů se používají elektronická zařízení, například ITP-MG4 „Zond“. Takové nástroje pro výpočet CTP se liší v rozsahu provozních teplot a také v procentech chyb.
Popis videa
Jak vypočítat CTP pomocí elektronického zařízení, viz video:
Tabulka tepelné účinnosti materiálů
Většina surovin používaných ve stavebnictví nevyžaduje nezávislé měření CTP. Pro tento účel existuje tabulka tepelné vodivosti materiálů, která ukazuje hlavní charakteristiky potřebné pro výpočet tepelné účinnosti.
| Materiál | Hustota, kg / m3 | Tepelná vodivost, W/(m*stupně) | Tepelná kapacita J/(kg*stupně) |
| Železobeton | 2500 | 1,7 | 840 |
| Beton na štěrku nebo drti z přírodního kamene | 2400 | 1,51 | 840 |
| Lehký keramzit beton | 500-1200 | 1,19-0,45 | 840 |
| Cihla, budova | 800-1500 | 0,24-0,3 | 800 |
| Vápenná cihla | 1000-2200 | 0,51-1,29 | 750-840 |
| Železo | 7870 | 70-80 | 450 |
| Expandovaný polystyren Penoplex | 110-140 | 0,042-0,05 | 1600 |
| Desky z minerální vlny | 150-250 | 0,043-0,063 | – |
Většina materiálů se liší svým složením. Například tepelná vodivost cihly závisí na tom, z čeho je vyrobena. Slínek má CFC od 0,8 do 1,6 a oxid křemičitý 0,15. Existují také rozdíly ve výrobní metodě a normách GOST.
Nejdůležitější znaky
Součinitel tepelné vodivosti je rychlost přenosu tepla materiálem za určitou dobu.
Znalost CTP je nezbytná pro zlepšení tepelné účinnosti konstrukce. Například, pokud musí rychle odevzdat teplo, pak musí být vyroben ze surovin s vysokým přenosem energie, ale pro uzavřené prostory je naopak potřeba dodatečná izolace. To pomůže ušetřit peníze za vytápění.
Tepelná vodivost materiálu je ovlivněna jeho hustotou, obsahem vlhkosti a obsahem vláken.
Jak bylo řečeno, součinitel tepelné vodivosti je fyzikálním parametrem látky. Obecně platí, že součinitel tepelné vodivosti závisí na teplotě, tlaku a typu látky; Ve většině případů je součinitel tepelné vodivosti pro různé materiály stanoven experimentálně. Většina z nich je založena na měření tepelného toku a teplotního gradientu v dané látce.
Součinitel tepelné vodivosti, W/(m-K) se určí ze vztahu
Z rovnice (1.18) vyplývá, že součinitel tepelné vodivosti je číselně roven množství tepla, které projde za jednotku času jednotkou izotermického povrchu s teplotním gradientem rovným jednotce.
Výsledky měření jsou shrnuty v tabulkách, které se používají při výpočtu procesů tepelné vodivosti.
Protože tělesa mohou mít různé teploty a při výměně tepla bude teplota v tělese samotném rozložena nerovnoměrně, je v první řadě důležité znát závislost součinitele tepelné vodivosti na teplotě. Experimenty ukazují, že u mnoha materiálů lze s dostatečnou přesností pro praxi předpokládat závislost součinitele tepelné vodivosti na teplotě lineární:
kde о — hodnota součinitele tepelné vodivosti při teplotě to;
b je konstanta určená empiricky.
a) Tepelná vodivost plynů
Podle kinetické teorie je přenos tepla tepelnou vodivostí v plynech za běžných tlaků a teplot dán přenosem kinetické energie pohybu molekul v důsledku chaotického pohybu a srážky jednotlivých molekul plynu. Součinitel tepelné vodivosti je v tomto případě určen vztahem
kde w je průměrná rychlost pohybu molekul plynu;
T je průměrná volná dráha molekul plynu mezi srážkami; Cv — tepelná kapacita plynu při konstantním objemu; — hustota plynu.
S rostoucím tlakem se délka běhu zvyšuje a snižuje rovnoměrně.l a práce lzůstává konstantní. Součinitel tepelné vodivosti se tedy se změnami tlaku znatelně nemění. Výjimkou jsou velmi nízké (méně než 2,66 * 10 3 Pa) a velmi vysoké (2 * 10 9 Pa) tlaky.
Průměrná rychlost pohybu molekul plynu závisí na teplotě:
kde R je univerzální plynová konstanta rovna 8314,2 J/(kmol-K);
— molekulová hmotnost plynu; T – teplota, K.
Tepelná kapacita plynů se zvyšuje s rostoucí teplotou. To vysvětluje skutečnost, že součinitel tepelné vodivosti pro plyny se zvyšuje s rostoucí teplotou.
Součinitel tepelné vodivosti plynů se pohybuje od 0,006 do 0,6 W/(m-K).
Mezi plyny se helium a vodík výrazně liší vysokým koeficientem tepelné vodivosti. Jejich koeficient tepelné vodivosti je 5-10krát větší než u jiných plynů.
Na tlaku silně závisí i koeficienty tepelné vodivosti vodní páry a dalších reálných plynů, které se výrazně liší od ideálních. U směsí plynů nelze součinitel tepelné vodivosti určit podle zákona aditivnosti, je nutné jej určit experimentálně.
b) Součinitel tepelné vodivosti kapalin
Mechanismus šíření tepla v kapkových kapalinách lze znázornit jako přenos energie prostřednictvím diskordantních elastických kmitů. Tuto teoretickou myšlenku mechanismu přenosu tepla v kapalinách, kterou předložil A. S. Predvoditelev, použil N. B. Vargaftik k popisu experimentálních dat o tepelné vodivosti různých kapalin. Pro většinu kapalin byla teorie dobře potvrzena. Na základě této teorie byl získán vzorec pro součinitel tepelné vodivosti následující formy:
kam sр — tepelná kapacita kapaliny při konstantním tlaku;
— objemová hustota kapaliny; – relativní molekulová hmotnost.
Koeficient A, úměrný rychlosti šíření elastických vln v kapalině, nezávisí na povaze kapaliny, ale závisí na teplotě, zatímco Acр= konst.
Protože hustota kapaliny s rostoucí teplotou klesá, vyplývá z rovnice (1.21), že pro kapaliny s konstantní molekulovou hmotností (neasociované a slabě asociované kapaliny) by se měl součinitel tepelné vodivosti s rostoucí teplotou snižovat. Pro silně asociované kapaliny (voda, alkoholy atd.) musí být do vzorce (1.21) zaveden asociační koeficient, který bere v úvahu změnu molekulové hmotnosti. Asociační koeficient závisí také na teplotě, a proto při různých teplotách může ovlivnit součinitel tepelné vodivosti různě. Experimenty potvrzují, že u většiny kapalin se součinitel tepelné vodivosti s rostoucí teplotou snižuje, s výjimkou vody a glycerinu. Součinitel tepelné vodivosti kapkových kapalin se pohybuje přibližně od 0,07 do 0,7 W/(m-K).
S rostoucím tlakem se zvyšují koeficienty tepelné vodivosti kapalin.
c) Součinitel tepelné vodivosti pevných látek
Kovy a slitiny. V kovech jsou hlavním přenašečem tepla volné elektrony, které lze přirovnat k ideálnímu monatomickému plynu. Přenos tepla vibračními pohyby atomů nebo ve formě elastických zvukových vln není vyloučen, ale jeho podíl není významný ve srovnání s přenosem energie elektronovým plynem. Vlivem pohybu volných elektronů se teplota vyrovnává ve všech bodech ohřívaného nebo chladícího kovu. Volné elektrony se pohybují jak z oblastí, které jsou více zahřáté, do oblastí, které jsou méně zahřáté, tak v opačném směru. V prvním případě atomům energii dávají, ve druhém ji odebírají. Protože v kovech jsou nosičem tepelné a elektrické energie elektrony, jsou koeficienty tepelné a elektrické vodivosti vzájemně úměrné. S rostoucí teplotou se vlivem zvýšených tepelných nehomogenit zvětšuje rozptyl elektronů. To má za následek snížení koeficientů tepelné a elektrické vodivosti čistých kovů.
V přítomnosti různých druhů nečistot se součinitel tepelné vodivosti kovů prudce snižuje. To lze vysvětlit zvýšením strukturních nehomogenit, které vedou k rozptylu elektronů. Takže například pro čistou měď = 396 W/(m*K), pro stejnou měď se stopami arsenu = 142 W/(m-K).
Na rozdíl od čistých kovů součinitele tepelné vodivosti slitin s rostoucí teplotou rostou.
Dielektrické pevné látky (nekovy). V dielektrikách se součinitel tepelné vodivosti obvykle zvyšuje s rostoucí teplotou. U materiálů s vyšší objemovou hmotností má zpravidla součinitel tepelné vodivosti vyšší hodnotu. Záleží na struktuře materiálu, jeho pórovitosti a vlhkosti.
Mnoho stavebních a tepelně izolačních materiálů má porézní strukturu (cihla, beton, azbest, struska atd.)
Fourierův zákon pro taková tělesa je do jisté míry podmíněný. Přítomnost pórů v materiálu nám neumožňuje považovat taková tělesa za spojité médium.
Součinitel tepelné vodivosti porézního materiálu je také podmíněn. Tato veličina má význam součinitele tepelné vodivosti určitého homogenního tělesa, kterým při stejném tvaru, velikosti a teplotě na hranicích prochází stejné množství tepla jako daným porézním tělesem.
Součinitel tepelné vodivosti práškových a porézních těles silně závisí na jejich objemové hmotnosti. Například s nárůstem hustoty ze 400 na 800 kg/m3 se součinitel tepelné vodivosti azbestu zvyšuje z 0,105 na 0,248 W/(m-K). Tento vliv hustoty na součinitel tepelné vodivosti je vysvětlen skutečností, že tepelná vodivost vzduchu vyplňujícího póry je výrazně nižší než tepelná vodivost pevných složek porézního materiálu.
Účinný koeficient tepelné vodivosti porézních materiálů také silně závisí na vlhkosti. U vlhkého materiálu je součinitel tepelné vodivosti výrazně větší než u suchého materiálu a vody zvlášť. Například pro suché cihly = 0,35, pro vodu = 0,60 a pro mokré cihly = 1,0 W/(m-K). Tento efekt lze vysvětlit konvekčním přenosem tepla, ke kterému dochází v důsledku kapilárního pohybu vody uvnitř porézního materiálu a částečně tím, že absorbce vázaná vlhkost má odlišné vlastnosti ve srovnání s volnou vodou.
Nárůst součinitele tepelné vodivosti zrnitých materiálů se změnou teploty lze vysvětlit tím, že s rostoucí teplotou roste tepelná vodivost média vyplňujícího prostory mezi zrny a přenos tepla sáláním zrnité hmoty. také zvyšuje.
Součinitele tepelné vodivosti stavebních a tepelně izolačních materiálů mají hodnoty v rozmezí přibližně 0,023 až 2,9 W/(m-K).
Materiály s nízkou tepelnou vodivostí [méně než 0,25 W/(m-K)], obvykle používané pro tepelnou izolaci, jsou tzv. TEPLÁ IZOLACE.
