Mezi termofyzikální vlastnosti dřeva patří tepelná kapacita, tepelná vodivost, tepelná difuzivita a tepelná roztažnost.

Je známo, že tepelná kapacita materiálu charakterizuje jeho schopnost akumulovat teplo. Ukazatelem této vlastnosti je měrná tepelná kapacita с, představující množství tepla potřebného k ohřátí 1 kg hmoty materiálu o 1 K (neboli 1 °C). Měrná tepelná kapacita se měří v kJ/(kg °C).

Procesy šíření (přenosu) tepla v materiálu jsou charakterizovány koeficienty tepelné vodivosti a tepelné difuzivity. První z nich je zahrnuta do rovnice stacionárního přenosu tepla

vytvoření souvislosti mezi množstvím tepla Q šířícím se uvnitř tělesa a plochou průřezu F kolmého k tepelnému toku, časem τ, teplotním rozdílem Δt na dvou izotermických površích a také vzdáleností mezi nimi Δx. Součinitel tepelné vodivosti λ se číselně rovná množství tepla procházejícího za jednotku času stěnou daného materiálu o ploše 1 m2 a tloušťce 1 m s rozdílem teplot na protilehlých stranách stěny 1 °C. Součinitel tepelné vodivosti se měří ve W/(m-°C). Při stacionární výměně tepla zůstává teplotní pole v materiálu v průběhu času konstantní.

Druhý z výše uvedených ukazatelů charakterizuje rychlost změny teploty materiálu při nestacionárním přenosu tepla (ohřívání nebo ochlazování). Koeficient tepelné difuzity а určuje setrvačnost materiálu, tedy jeho schopnost vyrovnávat teplotu. Index а, m 2 /s, se číselně rovná poměru součinitele tepelné vodivosti k tepelné kapacitě jednotkového objemu materiálu:

kde ρ – hustota, kg/m.

Měrná tepelná kapacita materiálu se určuje experimentálně pomocí kalorimetrů. Je také možné stanovit součinitel tepelné vodivosti při stacionárním tepelném toku pomocí přímé metody. Pro dřevo, zejména mokré dřevo, jsou však výhodnější nestacionární metody. Jedna z těchto metod, založená na využití „okamžitého“ zdroje tepla, je dostatečně podrobně popsána v učebnici [63].

Tepelná kapacita dřeva. Suché dřevo je dvoufázový systém skládající se z dřevní hmoty a vzduchu. Podíl vzduchu (hmotnostní) ve dřevě je však extrémně malý a tepelná kapacita suchého dřeva se téměř rovná tepelné kapacitě dřevní hmoty.

Vzhledem k tomu, že složení dřevní hmoty je u všech druhů stejné, měrná tepelná kapacita dřeva nezávisí na druhu a podle moderních údajů [76] se při 0°C pro absolutně suché dřevo rovná 1,55 kJ. /kg °C. S rostoucí teplotou se měrná tepelná kapacita dřeva mírně zvyšuje podle lineárního zákona a při 100 °C se zvyšuje přibližně o 25 %.

ČTĚTE VÍCE
Jaké vlastnosti jsou typické pro tepelně izolační materiály?

Vlhčení dřeva má mnohem silnější vliv na tepelnou kapacitu. Například zvýšení obsahu vlhkosti dřeva z 0 na 130 % vede ke zvýšení tepelné kapacity přibližně 2krát.

Současný vliv teploty a vlhkosti na tepelnou kapacitu dřeva lze vysledovat z diagramu (obr. 36) sestrojeného P.S. Sergovský podle K.R. Cantera. Stejný diagram ukazuje hodnoty tepelné kapacity při záporných teplotách. Zmrazování vlhkého dřeva má za následek snížení tepelné kapacity, protože led má poloviční tepelnou kapacitu než voda.

Hlavním faktorem ovlivňujícím tepelnou kapacitu zmrzlého dřeva však není vlhkost, ale teplota [74].

Tepelná vodivost dřeva. Schopnost dřeva vést teplo je ovlivněna jeho hustotou.

Na Obr. Obrázek 37 ukazuje graf vztahu mezi tepelnou vodivostí dřeva napříč vlákny λ a jeho hustota v absolutně suchém stavu ρ, kterou autor zkonstruoval na základě dat domácích i zahraničních badatelů.

Spodní extrapolovaný úsek křivky ořízne na ose pořadnic segment rovný tepelné vodivosti vzduchu – 0,0253 W/(m °C); horní část křivky prodloužená na hustotu ρ =1530 kg/m 3, umožňuje zhruba odhadnout tepelnou vodivost dřevní hmoty λd.v.┴. Jak vidíme, toto číslo je přibližně 0,5 W/(m °C). Neexistují přesné údaje o tepelné vodivosti dřevěných látek.

V.P. Lovetsky (SibTI) vypočítal součinitel tepelné vodivosti dřevní hmoty, přičemž dřevo považoval za soubor dutých tyčí obdélníkového průřezu a použil experimentální údaje o tepelné vodivosti březového dřeva. Dosazením do vzorce V.P. Lovetsky místo ρб hodnotu ρ pro břízu dostaneme λd.v.┴rovna 0,48; u borovice v tangenciálním směru – 0,53, tedy indikátory blízké 0,5 W/(m °C).

Zvýšení hustoty suchého dřeva, tj. zvýšení podílu dřevní hmoty na jednotku objemu, vede ke zvýšení tepelné vodivosti dřeva. To je vysvětleno skutečností, že dřevní hmota má přibližně 20krát větší koeficient tepelné vodivosti λd.v.┴než vzduch. Je možné vypočítat tepelnou vodivost dřevěné hmoty λd.v.║ tepelnou vodivostí dřeva λ podél vláken za předpokladu, že teplo je přenášeno paralelně podél stěn buněk a vzduchem uzavřeným v dutinách buněk. Potom se λ dřevní hmoty ukáže jako 0,94 pro břízu a 0,87 W/(m °C) pro borovici.

ČTĚTE VÍCE
Je možné místo regálového profilu použít stropní profil?

Protože jsou mikrofibrily orientovány převážně podél osy buňky, je tepelná vodivost v tomto směru přibližně 1,5-2krát vyšší než v příčném směru.

V radiálním a tangenciálním směru napříč vlákny jsou koeficienty tepelné vodivosti λr a λt se může lišit. Faktem je, že pozdní zóny dřeva ročních vrstev jsou protaženy v tangenciálním směru. Pozdní dřevo, zejména u jehličnanů, je hustší než rané dřevo, a proto tepelně vodivější.

Výpočty [74, 76] ukazují, že tepelná vodivost dřeva v tangenciálním směru je o něco větší než v radiálním směru. Paprsky jádra s převládajícím uspořádáním mikrofibril po délce paprsku přispívají ke zvýšení tepelné vodivosti v radiálním směru. Svou roli hraje i tvar průřezu anatomických prvků. To vše vede k tomu, že podle experimentálních dat mnoha badatelů není mezi λ u jehličnatého dřeva a většiny listnáčů prakticky žádný rozdíl.r a λt. Pouze u listnatých druhů s velkým objemem dřeňových paprsků (dub, buk), λr větší než λt, asi o 15 %

Zvlhčování dřeva, tedy nahrazení vzduchu v něm obsaženého vodou, která má 23x větší tepelnou vodivost, vede ke zvýšení tepelné vodivosti dřeva.Jak jsou dutiny buněk naplněny vodou, rychlost změny funkce λ = f (w) postupně klesá (obr. 38).

Zvýšení teploty vlhkého dřeva vede k ještě většímu zvýšení tepelné vodivosti. To je vidět na zobecněném diagramu (obr. 39) pro březové dřevo [z 54, 76]. Na stejném obrázku je znázorněn diagram součinitelů tepelné vodivosti v oblasti záporných teplot [z 74]. Zmrznutí dřeva s vlhkostí nad mez nasycení buněčných stěn vede k náhlému zvýšení jeho tepelné vodivosti, protože součinitel tepelné vodivosti ledu při t = 0°C je 4x větší než u vody. S dalším poklesem teploty se zvyšuje tepelná vodivost, což je způsobeno především zvýšením tepelné vodivosti ledu. Při vlhkosti pod Wp.n. Pouze malá část vázané vody zažívá fázové přeměny, takže zde takové skoky nejsou pozorovány.

Pomocí diagramu na (obr. 39) lze určit, jak navrhuje P.S. Sergovova metoda, tepelná vodivost dřeva jiných druhů. Chcete-li to provést, použijte hodnotu λ pro břízu (ρб =500 kg/m 3 ) pro jmenovitou hodnotu je nutno vynásobit koeficientem Kρ s přihlédnutím k hustotě dřeva daného druhu. Níže jsou uvedeny koeficienty Kρ pro různé hodnoty základní hustoty dřeva ρб:

ČTĚTE VÍCE
Proč se můj televizor nemůže připojit k internetu přes kabel?

ρб 350 375 400 425 450 475 525 550 575 600

Кρ 0,80 0,84 0,87 0,90 0,93 0,97 1,05 1,11 1,20 1,28

Pro zohlednění vlivu směru tepelného toku je nutné zjištěné hodnoty součinitele tepelné vodivosti vynásobit Kх, stejné pro dub, buk v tangenciálním směru 0,87 a podél vlákna 1,6. U ostatních hornin se bere v úvahu pouze rozdíl v tepelné vodivosti podél a napříč vlákny; s tepelným tokem podél vláken Kх = 2,2.

Hodnoty koeficientů λ pro dřevo jsou poměrně malé, takže dřevo je poměrně dobrý tepelně izolační materiál.

Tepelná difuzivita dřeva. Koeficient tepelné difuzity а je určena rovnicí (57), pokud jsou hodnoty dalších dvou tepelných koeficientů λ a с. U absolutně suchého dřeva se koeficient tepelné difuzivity zvyšuje s klesající hustotou ρ. Je to způsobeno zvýšením podílu vzduchu na jednotku objemu dřeva, které má tepelnou difuzivitu přibližně 100x větší než dřevní hmota. Vliv vlhkosti na tepelnou difuzivitu napříč vlákny je znázorněn na Obr. 38. Zvýšení obsahu volné vody (W >Wp.n.) vede k prudkému poklesu tepelné difuzivity, protože vzduch v dutinách článků je nahrazen vodou, která má koeficient tepelné difuzivity přibližně 150x nižší.

V oblasti pod Wp.n. vliv vlhkosti na hodnotu а prakticky nedodržován. To se vysvětluje tím, že v buněčných stěnách není téměř žádný vzduch a mokrá buněčná stěna se skládá ze dvou fází – dřevní hmoty a vody, jejichž koeficienty tepelné difuzivity jsou si velmi blízké.

Tepelná roztažnost dřeva. Při zahřívání pevných materiálů včetně dřeva se zvětšuje jejich objem. Koeficient lineární tepelné roztažnosti α’ představuje změnu jednotkové délky tělesa při jeho zahřátí o 1°C. V důsledku anizotropie dřeva jsou koeficienty α’ ve třech strukturních směrech různé. Minimální koeficient lineární roztažnosti αve směru podél vláken; jeho hodnota se podle údajů z různých zdrojů pro suché dřevo pohybuje v rozmezí (2,5-5,4)10 -6 1/°C. Tepelná roztažnost napříč vlákny je výrazně (někdy 10-15krát) větší než podél vláken a v tangenciálním směru je obvykle 1,5-1,8krát vyšší než ve směru radiálním. Existuje tedy známá analogie s anizotropií smršťování (bobtnání).

ČTĚTE VÍCE
Musím stěny před aplikací hydroizolace napenetrovat?

Některé údaje o koeficientech lineární roztažnosti absolutně suchého dřeva jsou uvedeny v tabulce. 22. Koeficient lineární roztažnosti podél dřevěných vláken je 1/3 – 1/10 koeficientů tepelné roztažnosti kovů, betonu a skla. Při zahřívání vlhkého dřeva dochází kromě tepelné roztažnosti napříč vlákny způsobené zvýšením teploty současně k výrazně větší deformaci vlhkostí. 1% změna vlhkosti v oblasti pod Wp.n. způsobuje deformaci desítkykrát větší než změna teploty o 1 °C. Smršťování a bobtnání tedy maskuje čistě tepelné deformace dřeva napříč strukturou. Pokud se teplota čerstvě nařezaného dřeva ve vodě zvýší, pak se při prvním ohřevu rozměry zvětšují v tangenciálním směru a zmenšují se v radiálním směru. Při následném zahřívání je pozorován mírný pokles velikosti v obou směrech.

22. Koeficienty tepelné roztažnosti suchého dřeva

Plemeno α / ·10 6 α / r·10 6 α / t·10 6 Zdroj
Borovice Smrk Dub Bříza Buk 4,2 2,6 3,6 2,5 5,4 15,0 29,3 29,3 27,2 22,0 29,0 50,2 41,9 30,0 34,8 V. Steven Y.N. Rudobelskaya (Stanko) Madisonova laboratoř V. Stevense

V tabulce 23 uvádí data z Ya.N. Stanko (MLTI) o šancích а ‘ pro vlhké a suché smrkové dřevo; znaménka „+“ a „-“ označují prodloužení a zkrácení.

23. Koeficienty tepelné roztažnosti za mokra a za sucha

Strukturální směr Koeficienty tepelné roztažnosti dřeva α’·10 6 , 1/ о С
nevařené suché
První topení Následný ohřev
Radiální tangenciální -29 +25 -5 -5 + 28, + 48,0

Důvodem nárůstu deformace při prvním ohřevu je zjevně odstranění vnitřních růstových pnutí. U rostoucího stromu působí tlaková napětí v tangenciálním směru, takže při jejich odstranění je zjištěno prodloužení vzorku v tomto směru. V radiálním směru dochází k opačnému jevu. Uspokojivé vysvětlení důvodů smršťování vzorku při následném zahřívání nebylo dosud nalezeno.

Ukazatele charakterizující tepelné vlastnosti dřeva se používají k výpočtu procesů jeho ohřevu, sušení, rozmrazování, zmrazování a tepelných ztrát dřevěnými ploty.