В условиях экономии средств на отопление растет роль качества проектирования энергосберегающих зданий и сооружений. А потому без понимания того, что такое теплопроводность и как она влияет на свойства материалов и климат помещений, не стоит начинать строительство и утепление дома.

Два совершенно одинаковых по форме параллелепипеда, но из разного материала нагреваются с разной скоростью. При нагревании одной плоскости металла, противоположная сторона почти сразу тоже начинает нагреваться и достаточно быстро температура бруска становиться равномерной по всему объему. При нагревании изделия из обожженной глины процесс выравнивания температуры идет намного дольше. Требуется больше потратить тепла и времени, чтобы поднять температуру всего бруска. Чтобы сформулировать и описать этот процесс, вводится понятие теплопроводности.

Определение теплопроводности

При соприкосновении 2 поверхностей, свойства передачи тепла от одного тела к другому, от нагреваемого тела к соприкасающемуся, зависят от нескольких факторов:

  • Линейной протяженности от точки нагрева до точки соприкосновения;
  • Материала изготовления нагреваемой поверхности;
  • Площади соприкосновения поверхностей;
  • Однородность нагреваемого;
  • Агрегатного состояния;

При этом учитывается, что:

  • Тепло распространяется с конечной скоростью;
  • На скорость распространения влияет среда между точкой нагрева и предметом;
  • Для сплошных твердых материалов существенное значение имеет плотность соприкосновения;
  • Для газообразной среды корректно следующее правило: чем ниже давление, тем хуже распространяется тепло.

Как происходит перераспределение тепла?

Для определения технических свойств материала принимается факт, что материя состоит из атомов, постоянно находящихся в движении. Скорость движения атомов зависит от полученной энергии. Нагревание - это способ получения энергии. Чтобы понять, почему так происходит нужно знать строение материала.

В твердом веществе соседние атомы находятся на небольшом расстоянии друг от друга и в относительно спокойном состоянии. По мере нагревания, скорость движения атомов увеличивается. Связи начинают нарушаться, постепенно меняется форма материи от твердого состояния к газообразному виду. Повышается кинетическая энергия атомов. Именно этот процесс воспринимается как повышение температуры и нагревание тела. Причем он сильно зависит от того, какой материал нагревается первым, а какой - вторым.

Теория теплопроводности

Под теплопроводностью понимается способность материи передавать тепловую энергию от одной части к другой. Такой процесс идет в любых средах с неодинаково нагретыми частями. Агрегатное состояние вещества существенно влияет на характер процесса.

Понятие теплопроводности сводится к количественным характеристикам. Именно это и означает – скорость распространения тепла. Такая характеристика называется коэффициент теплопроводности.

Теплопроводность описывает следующий процесс: распространение температуры по единице объема вещества на единицу расстояния при повышении температуры на 1 градус.

Газообразные среды и их тепропроводность

Распространения тепла в газовой среде имеет свои особенности. Коэффициент теплопроводности газа величина непостоянная.

Если постоянно понижать плотность газа, то понижается и КТ. В строительной практике для повышения теплопроводности этот факт применяется использованием отражающих поверхностей – например, фольгированные алюминием утеплители.

Закон Фурье

Закон Фурье дает только общие представления о теплопроводности материалов, но для практического применения, например, малоэтажного строительства, этого бывает достаточно. Для сложных технологических сооружений или при разработке энергосберегающих технологий важно учитывать скорость распространения тепловой энергии, что в законе не нашло отражения. Примеры теплопроводности

Понятие коэффициента теплопроводности нашло широкое применение именно в строительных и монтажных работах.

Строители имеют дело с неоднородными, пористыми структурами.

Часто одна арматура, неправильно заложенная в бетон, будет давать больше утечки тепла, чем вся стена, или неправильно обработанные стыки между утеплительными плитами сделают бессмысленной всю конструкцию. Таким образом, с некоторыми допусками, поправками на практику применения без расчета теплопроводности в строительстве не обойтись. Расчеты часто выполняются только приблизительные, без применения точных значений, но при возведении летнего дачного дома даже их бывает достаточно для получения достоверных результатов. Даже самое простое сопоставление цифр может сберечь немало электроэнергии, не сделав дом более холодным.

Для пористых материалов в качестве КТ берут некоторый условный параметр, соответствующий абстрактному однородному телу. Естественно, что он будет зависеть не только от вида материала, но и от его плотности, объема, влажности воздуха вокруг и самого материала. Например, теплопроводность сухого кирпича равна 0,35 Вт/(моС), в то время как воды 0,60 Вт/(моС). Для мокрого кирпича КТ будет равен 1,00 Вт/(моС).

Для большинства строительных материалов коэффициент колеблется в диапазоне 0,023-2,9. Все материалы, имеющие показатели теплопроводности ниже 0,25 Вт/(моС), носят название теплоизоляторов.

Свойства и коэффициенты теплопроводности различных веществ:

Факторы теплопроводности

При выборе строительного материала, кроме КТ приходится учитывать еще ряд характеристик:

  • Термическое сопротивление. Применяется к расчету замкнутых воздушных прослоек, и существенную роль играет толщина прослойки;
  • Приведенное сопротивление теплопередаче, которое рассчитывается для окон;
  • Поглощение солнечной радиации, которое приводится в виде коэффициента для ограждающих конструкций;
  • К. теплопропускания. Применяется для защиты помещений от перегрева;
  • Сопротивление материалов воздухопроницанию. При движении воздушных масс может меняться теплообмен, поэтому для строительства применяются вещества с высоким уровнем сопротивления теплопропусканию;
  • Сопротивление паропроницанию. Особенно важно учитывать для тонких теплоизоляторов, поскольку, как уже говорилось, увлажнение материала может сильно изменить его качества;
  • К. теплотехнической однородности, который зависит от гладкости структуры материала и его плотности.

Только учитывая все факторы, можно быть уверенным в качестве постройки и надежности здания. Для более точных расчетов, которые выполняют архитекторы и проектировщики, этих параметров недостаточно.

Тест на теплопроводность

Порядок и технологии проведения качественных испытаний на теплопроводность строительных материалов регламентируются ГОСТ 17177-94, ГОСТ 9758-86 и ГОСТ 7076-99. При этом учитываются:

  • Внешний вид, который должен соответствовать техническим условиям;
  • Линейные размеры должны строго соответствовать заявленным эталонным образцам;
  • Поверхность испытуемого образца должны быть ровной;
  • Плотность;
  • Влажность;
  • Для испытаний выбирается 5 одинаковых образцов. При заключении берутся усредненные цифры.

Для измерения теплопроводности заранее подготовленный образец помещается в стационарный тепловой поток. Грани образца располагаются строго перпендикулярно потоку. С помощью специального прибора замеряется термическое сопротивление материала. Теплопроводность рассчитывается делением величины получившегося сопротивления на толщину образца.

Способность вещества проводить тепло – одна из основных характеристик. Правильный расчет этого параметра даст возможность сохранить в доме комфортную температуру.