Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

Теплообмен – основные виды в физике, суть и примеры

Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

Передача тепла или теплообмен это процесс распространения внутренней энергии в пространстве с разными температурами.

Теплопроводность это способность веществ и тел проводить энергию (тепло) от частей с высокой температурой к частям с более низкой. Такая способность существует за счет движения частиц. Энергия может передаваться между телами и внутри одного тела. Нагревая в пламени один конец гвоздя, мы рискуем обжечься о другой его конец, не находящийся в пламени.

В начале развития науки о свойствах тел и веществ считалось, что тепло передается путем перетекания «теплорода» между телами. Позже, с развитием физики, теплопроводность получила объяснение взаимодействием частиц вещества. Электроны в нагреваемом над огнем участке гвоздя движутся активнее и через столкновения отдают тепло медленным электронам в части, которая не подвергается нагреванию.

Виды теплообмена и способы передачи тепла

В физике выделяют несколько видов теплообмена:

  1. Теплопроводность – свойство материалов передавать через свой объем поток тепла путем обмена энергией движения частиц.

  2. Конвекция – перенос тепла, осуществляемый перемещением неравномерно прогретых участков среды (газа, жидкости) в пространстве.

  3. Излучение – в данном случае перенос тепла в вакууме или газовой среде осуществляется электромагнитными волнами.

Рассмотрим сущность и назначение каждого из видов теплообмена.

Теплопроводность

В большинстве случаев виды теплообмена тесно связаны и проходят одновременно. Конвекция всегда дополняется теплопроводностью, так как при движении объема среды всегда имеется взаимодействие частиц с разными температурами. Такой процесс имеет название конвективного теплообмена. 

Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

Рассмотрим более подробно теплопроводность.

Этот вид теплообмена присущ твердым телам, но присутствует так же в жидкостях и газах. В твердых телах теплопроводность является основным видом теплообмена и напрямую зависима от природы вещества, его плотности, химического состава, влажности, температуры.

Разные тела и вещества имеют разную теплопроводность. Количественным показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, он обозначается буквой λ (лямбда). Чем выше плотность, влажность и температура тела, тем больше λ.

Проведение тепла происходит за счет взаимодействий между частицами. Конечной целью процесса будет выравнивание внутренней температуры по всему телу. Теплопроводность жидкостей меньше, чем у твердых тел, у газов – меньше, чем у жидкостей. Причиной является большое расстояние между молекулами в жидкостях, особенно в газах. 

Низкая теплопроводность воздуха издавна используется при изготовлении двойных оконных рам. Теплопроводность воздуха гораздо ниже теплопроводности стекла. Воздушная прослойка межу стеклами защищает от зимней стужи.

Плохая теплопроводность, появившаяся в процессе эволюции в качестве защиты от критических температур, у живых организмов. Шерсть, пух, волосы, жир обладают очень низкой теплопроводностью. Именно поэтому мы не мерзнем зимой в теплых носках, песцы могут спать на снегу, а моржи выживают в условиях Арктики за счет жировой прослойки.

В таблице приведены примеры материалов, веществ и сред с наименьшей и наибольшей теплопроводностью.

Таблица 1

Исходя из данных, приведенных в таблице, можно сделать некоторые выводы:

  1. В вакууме тепло не проводится. Передача тепла в вакууме может происходить с помощью излучения. Таким способом тепло Солнца доходит до нашей планеты.

  2. Материал с наивысшей теплопроводностью называется графен, который активно используется в наноэлектронике.

  3. Металлы тоже достаточно теплопроводные. Известно, как быстро нагревается металлическая ложка в горячем супе.

  4. Строительные материалы обладают низкой теплопроводностью, что и обуславливает их использование для возведения теплых и надежных жилищ.

С понятием теплопроводности тесно связано понятие теплоемкости.


Теплоемкостью называют количество тепла, которое поглотило тело (вещество), чтобы его температура повысилась на 1 градус. Действительно, для повышения температуры металлического стержня на 1 градус, необходимо, чтобы он обладал теплопроводностью для равномерного нагревания всего объёма.

Знания о теплопроводности веществ и материалов необходимы в строительстве, промышленности, быту. Степень теплопроводности материала обуславливает его применение в той или иной сфере. Разработка и поиск новых веществ с уникальными теплоизоляционными свойствами – важнейшая задача современной науки.

Конвекция

При конвекции энергия передается потоками, возникающими в различных средах. 

В зависимости от причины возникновения, процессы этого типа теплообмена делят на естественную и вынужденную конвекцию:

  1. Естественная конвекция возникает под влиянием естественных сил: неравномерного прогрева, силы тяжести. Процессы естественной конвекции происходят на планете ежеминутно.

    Появление облаков, формирование атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов в атмосфере возможно благодаря этому процессу. Воды мирового океана так же подвержены процессам конвекции, в результате образуются океанические течения.

    Движение тектонических плит так же обусловлено конвективными процессами.

  2. Вынужденная конвекция – зависит от присутствия внешних сил. Например, при помешивании ложкой горячий чай остывает именно за счет этого явления.

Излучение

Излучение тепла является электромагнитным процессом. Тепло выделяют любые тела, температура которых выше 0 К. 

Тепло излучается телами благодаря тому, что любое вещество состоит из молекул и атомов, а они, в свою очередь, из заряженных протонов и электронов. Таким образом, любое тело оказывается пронизанным электромагнитным полем.

Теплопроводность и коэффициент теплопроводности. Что это такое

Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Можно сказать проще, теплопроводность – это  способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной.

Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой.

Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем «абстрактный дом».

В «абстрактном доме» стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С.

Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.

Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен  постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.

Коэффициент теплопроводности

Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному — интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.

Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло.

Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас  в качестве материалов для утепления зданий  наибольшее распространение получили утеплители из минеральной ваты, и различных пенопластов.

Набирает популярность новый материал с улучшенными теплоизоляционными качествами — Неопор.

Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда)  и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2.

, то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии. Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур  стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт.

Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть здесь.

Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.

В строительных нормах и расчетах часто используется понятие «тепловое сопротивление материала». Это величина обратная теплопроводности.  Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см — 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.

Коэффициент теплопроводности материалов

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

МатериалКоэфф. тепл. Вт/(м2*К)
Алебастровые плиты0,470
Алюминий230,0
Асбест (шифер)0,350
Асбест волокнистый0,150
Асбестоцемент1,760
Асбоцементные плиты0,350
Асфальт0,720
Асфальт в полах0,800
Бакелит0,230
Бетон на каменном щебне1,300
Бетон на песке0,700
Бетон пористый1,400
Бетон сплошной1,750
Бетон термоизоляционный0,180
Битум0,470
Бумага0,140
Вата минеральная легкая0,045
Вата минеральная тяжелая0,055
Вата хлопковая0,055
Вермикулитовые листы0,100
Войлок шерстяной0,045
Гипс строительный0,350
Глинозем2,330
Гравий (наполнитель)0,930
Гранит, базальт3,500
Грунт 10% воды1,750
Грунт 20% воды2,100
Грунт песчаный1,160
Грунт сухой0,400
Грунт утрамбованный1,050
Гудрон0,300
Древесина — доски0,150
Древесина — фанера0,150
Древесина твердых пород0,200
Древесно-стружечная плита ДСП0,200
Дюралюминий160,0
Железобетон1,700
Зола древесная0,150
Известняк1,700
Известь-песок раствор0,870
Ипорка (вспененная смола)0,038
Камень1,400
Картон строительный многослойный0,130
Каучук вспененный0,030
Каучук натуральный0,042
Каучук фторированный0,055
Керамзитобетон0,200
Кирпич кремнеземный0,150
Кирпич пустотелый0,440
Кирпич силикатный0,810
Кирпич сплошной0,670
Кирпич шлаковый0,580
Кремнезистые плиты0,070
Латунь110,0
Лед 0°С2,210
Лед -20°С2,440
Липа, береза, клен, дуб (15% влажности)0,150
Медь380,0
Мипора0,085
Опилки — засыпка0,095
Опилки древесные сухие0,065
ПВХ0,190
Пенобетон0,300
Пенопласт ПС-10,037
Пенопласт ПС-40,040
Пенопласт ПХВ-10,050
Пенопласт резопен ФРП0,045
Пенополистирол ПС-Б0,040
Пенополистирол ПС-БС0,040
Пенополиуретановые листы0,035
Пенополиуретановые панели0,025
Пеностекло легкое0,060
Пеностекло тяжелое0,080
Пергамин0,170
Перлит0,050
Перлито-цементные плиты0,080
Песок 0% влажности0,330
Песок 10% влажности0,970
Песок 20% влажности1,330
Песчаник обожженный1,500
Плитка облицовочная1,050
Плитка термоизоляционная ПМТБ-20,036
Полистирол0,082
Поролон0,040
Портландцемент раствор0,470
Пробковая плита0,043
Пробковые листы легкие0,035
Пробковые листы тяжелые0,050
Резина0,150
Рубероид0,170
Сланец2,100
Снег1,500
Сосна обыкновенная, ель, пихта (450…550 кг/куб.м, 15% влажности)0,150
Сосна смолистая (600…750 кг/куб.м, 15% влажности)0,230
Сталь52,0
Стекло1,150
Стекловата0,050
Стекловолокно0,036
Стеклотекстолит0,300
Стружки — набивка0,120
Тефлон0,250
Толь бумажный0,230
Цементные плиты1,920
Цемент-песок раствор1,200
Чугун56,0
Шлак гранулированный0,150
Шлак котельный0,290
Шлакобетон0,600
Штукатурка сухая0,210
Штукатурка цементная0,900
Эбонит0,160

Теплотехнические определения

Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

   Эта статья – попытка вникнуть в терминологию теплотехники, расчёты и может содержать трудноусвояемые умозаключения. Возможны головные боли и резь в глазах от приставки “тепло-“. Итак, начнём!

Теплопередача и её коэффициент (Q)

     Теплопередача – физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала.

Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия.

Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики. Всего существует три простых механизма передачи тепла – теплообмена:

  • Теплопроводность
  • Конвекция
  • Тепловое излучение

Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием этих трёх видов.

   Коэффициент теплопередачи в общем смысле показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1м² теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями 1К.

   Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции – это величина, выражающая удельный тепловой поток, Вт/м² •К, проходящий за 1ч через 1м² поверхности ограждения при разности температур на ее поверхности, равной 1 К. Этот коэффициент бывает двух видов:

  • трансмиссионный – величина, равная поверхностной плотности теплового потока, проходящего через конструкцию при разности внутренней и наружной температуры в один градус Кельвина (или Цельсия);
  • приведенный –  средне взвешенный коэффициент теплопередачи теплотехнически неоднородной ограждающей конструкции.

Чем ниже этот показатель, тем лучше теплоизоляция!

Теплопроводность и её коэффициент (λ)

    Теплопроводность – процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела (процесс, происходящий в одном теле, в отличие от теплопередачи – процесса, происходящего между различными телами), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, электронами и пр.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.

 Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить тепло. Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной в единицу длины (1м), площадью в единицу площади (1м²), за единицу времени (1 секунду) при единичном температурном градиенте (1К).

В метрической системе мер единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K). Этот коэффициент измерен для огромного количества строительных и не только элементов и является основной характеристикой утеплителей. В упрощённом изложении, коэффициент теплопроводности показывает, насколько хорошо элемент конструкции проводит тепло.

Чем ниже этот показатель, тем лучше теплоизоляция! 

 В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры и эта зависимость известна как закон теплопроводности Фурье.

Выглядит эта зависимость в интегральной форме так: Р=λ·S·ΔT/L, где P – полная мощность тепловых потерь (Вт), λ – коэффициент теплопроводности (Вт/(м·K)), S – площадь сечения элемента (площадь стены, крыши)(м²), ΔT – перепад температур между тёплой и холодной гранями элемента (К или °С), L – толщина элемента утеплителя. 

  Давайте попробуем разобраться на конкретном примере. Возьмём экструзионный пенопласт “Техноплекс” (λ=0,034 Вт/(м·K)) толщиной 10см (L=0.

1м), и засунем его в качестве утеплителя во все стены каркасного дома размером 10х10м и высотой 3м (S=(10+10)*2*3=120м²), и посчитаем, сколько тепла (Р, ватт) будут пропускать такие стены, если на улице будет мороз -10°С, а в помещении +20°С (ΔT=30°С). P=0,034·120·30/0,1=1224 Ватт.

Иными словами, на отопление 100 м² площади дома из пенопласта с высотой стенок 3м (правда, без окон и дверей) в зимний месяц при температуре -10°С понадобится 1,224·24·30=881,28 кВт·ч электроэнергии. Двухкиловатный электрокотёл вполне справится=))

    Кстати, теплопроводность воздуха – 0,026 Вт/(м·K), поэтому обычные утеплители в стенах (если мы рассматриваем Земную атмосферу, а не аргон или иные газы) не могут иметь коэффициент лучший, чем 0,026. Наиболее близко к этой цифре подобрался экструдированный графитовый пенополистирол с коэффициентом в сухом состоянии 0,027 Вт/(м·K).

 
     Однако, и с таким выводом нынче можно спорить! =)  В последнее время появились различные аэрогели, которые имеют крайне малые поры, через которые может проходить нагретый воздух, достигая теплопроводности в невероятных 0,015 Вт/(м·К). Все из-за того, что размер пор в аэрогеле меньше, чем расстояние, которое пролетает молекула воздуха прежде, чем во что-нибудь врезаться.

 Из-за этого быстрым горячим молекулам воздуха очень трудно протолкнуться сквозь аэрогель и перенести тепло с горячей стороны к холодной.  Это называется Кнудсеновской диффузией. На основе аэрогелей существуют различные краски, мастики, его добавляют в пенополистирол, стеклохолст и прочие материалы, получая на первый взгляд невероятные теплотехнические характеристики.

Про аэрогель рекомендую посмотреть вот это прекрасное видео.

Теплосопротивление (R)

     Теплосопротивление (термическое сопротивление), обозначается буквой “R” – способность тела препятствовать распространению теплового движения молекул. Существует три вида термического сопротивления, из за чего очень часто трудно разобраться, о чём идёт речь и кто как считает. Различают:

  • полное термическое сопротивление – величина, обратная коэффициенту теплопередачи;
  • поверхностное термическое сопротивление – величина, обратная коэффициенту теплоотдачи;
  • термическое сопротивление слоя – величина, равная отношению толщины слоя к его коэффициенту теплопроводности. Именно этот вид теплосопротивления используется при расчёте сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

  При общих равных условиях теплосопротивление, это отношение разности температур по краям изоляционного материала к величине теплового потока (теплопередача на единицу площади, Q) проходящего сквозь него,  R=ΔT/Q. Коэффициент теплопередачи материала (Q) обратно пропорционален теплосопротивлению (R), Q=1/R. и наоборот, R=1/Q. Чем больше это число, тем лучше эффективность изоляции.

     В метрической системе СИ теплосопротивление измеряется разностью температуры в Кельвинах (либо в градусах Цельсия), требуемой для переноса 1 Вт энергии на 1м² площади (C·м²/Вт).

 Рассчитывается коэффициент теплосопротивления по формуле R=d/λ, где d – толщина слоя материала в метрах, λ – коэффициент теплопроводности материала (Вт/м·°С).

Чем больше полученное значение R, тем лучше его теплоизоляционные свойства. 

  Для строительных конструкций, например для стены, коэффициент термосопротивления состоит из сумм коэффициентов каждого из материалов, составляющих конструкцию + коэффициент теплопередачи от воздуха стене (внутри помещения Rsi=0.115 C·м²/Вт) + коэффициент теплопередачи от стены наружному воздуху (Rse=0,043) или от стены фасаду (Rse=0,083). 

    Давайте попробуем разобраться на конкретном примере. Возьмём стену каркасного дома, состоящую из плиты OSB-3 толщиной 12мм, затем слой минваты фирмы Технониколь “Техноблок”, толщиной 200мм (именно эту фирму выбрал по принципу известности и по наличию доступной полной технической информации по каждому материалу в формате PDF.

 Я не продаю, и не рекламирую эту фирму – просто пользуюсь их данными), после минваты слой мембраны влаговетрозащиты, вентзазор на контррейках шириной 40мм и внешняя обшивка стены. Поскольку воздух вентзазора должен сообщаться с внешним воздухом, то теплоизоляционные свойства внешней отделки на общий показатель не оказывают влияния. Коэффициент теплопроводности OSB плиты λ=0.

13 Вт/м·°С, коэффициент минваты λ=0.037Вт/м·°С. R(OSB)=0.012/0.13=0.0923, R(минвата)=0.2/0.037=5.4054. Итого, коэффициент теплосопротивления стены составит R(стена) =R(se) + R(OSB) + R(минвата) + R(si)=5.6557 C·м²/Вт.  Если в помещении мы будем поддерживать температуру +22°С при морозе на улице -28°С, то температурная разница ΔT составит 50°С.

Зная эти данные можем посчитать потери тепловой мощности через 1м² стены, W=50(°С) / 5.6557(C·м²/Вт)=8.85 Вт/м². Если, например, стены дома из прошлого примера размером 10х10м и высотой 3 метра имеют площадь 120м², теплопотери через все стены составят 1062 Вт. Если допустить, что такой холод продержится 1 месяц, то потери тепла через эту стену составят 1.

062кВт · 24ч · 31день=790,128 кВт·ч. Хорошо, что такие холода для нашего региона редкость!=)   

     Для наглядности и упрощения и без того не сильно сложных расчётов я подготовил для вас флеш-калькулятор, умеющий считать значение теплосопротивления R и мощность тепловых потерь с одного квадратного метра ограждающей конструкции за произвольный период. Калькулятор учитывает коэффициент теплоотдачи внутренней и наружной поверхности в соответствии с правилами строительной климатологии КТП 45-2.04-2006.  

    Вслед за странами Европы, в Российской Федерации и у нас в Беларуси приняли новые нормы теплосопротивления ограждающих и несущих конструкций, направленные на снижение эксплуатационных расходов и энергосбережение.

С выходом СНиП II-3-79*, СНиП 23-02-2003 “Тепловая защита зданий” прежние нормы теплосопротивления устарели. Новыми нормами предусмотрено резкое возрастание требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

В российском СНиПе есть таблица “Нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций” (слева картинка). Как и следовало ожидать, нормы по теплосопротивлению зависят от окружающей температуры и длительности отопительного периода.

Эта зависимость описывается таким понятием, как “Градусо-сутки отопительного периода” или ГСОП, это условная единица измерения повышения среднесуточной температуры над заданным минимумом (базовой температурой).

Показатель, равный произведению разности температуры внутреннего воздуха и средней температуры наружного воздуха за отопительный период на продолжительность отопительного периода.

ГСОП=(tv-t8)·z8, где

tv – расчётная температура внутреннего воздуха в зимний период (по ГОСТу равна 20°С),

t8 – средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С,

z8 – продолжительность (в сутках) периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С.

Данные t8 и z8, а так же массу других интересных данных можно взять из таблиц СНиП 23-01-99 “Строительная климатология”. В документе есть данные не только по России, но и по Беларуси, Грузии, Казахстану, Кыргызии, Молдове, Туркменистану, Узбекистану и Украине.

     Не смотря на всеобщий охват нормативной базы данных в российских документах, белорусские документы всё-же отличаются  (ТКП 45-2.04-43-2006 Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования.)

      Что же предписывает нам этот ТКП?    

      В связи с небольшой географической протяжённостью нашей страны требования к коэффициенту сопротивления теплопередаче у нас выражаются безо всяких формул, ГСОПов и прочих расчётов одной цифрой для всех регионов! Сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций R при строительстве жилых зданий, за исключением наружных дверей, ворот и ограждающих конструкций помещений с избытками явной теплоты, следует принимать не менее:

  • Наружные стены зданий – 3,2;
  • Совмещённые покрытия, чердачные перекрытия и перекрытия над проездами – 6,0;
  • Перекрытия над неотапливаемыми подвалами и техническими подпольями – 2,5;
  • Заполнение световых проёмов для всех типов зданий – 1,0.

Итак, мы видим, что наши отечественные требования всё-же более высокие, чем у наших соседей россиян, при том, что климат нашей страны в целом теплее.

        Вот к этим характеристикам и нужно стремиться, чтобы соответствовать современным стандартам!

Интереса ради мне попалась таблица, отражающая нормы ряда европейских стран по показателю R.

Как стремиться?

    Высчитав требуемый по ГОСТу коэффициент R и зная коэффициент теплопроводности λ  можно легко перевести это в толщину того или иного утеплителя.

Как я уже писал, коэффициент R рассчитывается по формуле  R=d/λ, где d – толщина слоя материала в метрах, λ – коэффициент теплопроводности материала (Вт/м·°С), R состоит из сумм коэффициентов каждого из материалов, составляющих конструкцию + коэффициент теплопередачи от воздуха стене (Rsi=0.115 C·м²/Вт) + коэффициент теплопередачи от стены наружному воздуху (Rse=0,043).

  Отсюда толщина утеплителя d=(R-Rsi-Rse)*λ. Возьмём, например, эковату с коэффициентом теплопроводности λ=0,048 и посчитаем толщину утеплителя для стены каркасного дома в Беларуси.

d=(3,2-0,115-0,043)*0,048=0,146 м.

    К сожалению, любая стена является теплотехнически неоднородным объектом, и для нашего примера необходимо ввести в формулу коэффициент теплотехнической однородности, учитывающий повышенную теплопроводность самого деревянного каркаса, k = 0,8. Тогда формула получится такой:

d=(3,2-0,115-0,043)/0,8*0,048=0,183 м.

Округлив, получаем 20 см эковаты – этого достаточно, чтобы дом соответствовал стандарту.

    Еще пример, рассчитаем толщину пенопласта БПС-25 для утепления дома из газобетона D500 с толщиной блока 30см в Бресте. λ газобетона=0,16, λ БПС-25=0,043. Rгазобетона=0,3/0,16=1,875. Коэффициент однородности по кладке k=0,9. 

d=(3,2-1,875-0,115-0,043)/0,9*0,043=0,056.

Для утепления такого дома потребуется 6 см пенопласта марки БПС-25. Как видите, расчёт не сложный и не требует знания высшей математики! 

Утепляйтесь на здоровье!

И не верьте рекламе!

P.S. Если вас интересует дополнительная информация про теплофизические свойства материалов, рекомендую

посетить вот этот сайт – ооочень много таблиц и информации на эту тему!

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение – FIZI4KA

Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

ОГЭ 2018 по физике ›

1. Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность можно наблюдать на следующем опыте. Если к металлическому стержню с помощью воска прикрепить несколько гвоздиков (рис. 68), закрепить один конец стержня в штативе, а другой нагревать на спиртовке, то через некоторое время гвоздики начнут отпадать от стержня: сначала отпадет тот гвоздик, который ближе к спиртовке, затем следующий и т.д.

Это происходит потому, что при повышении температуры воск начинает плавиться. Поскольку гвоздики отпадали не одновременно, а постепенно, можно сделать вывод, что температура стержня повышалась постепенно. Следовательно, постепенно увеличивалась и внутренняя энергия стержня, она передавалась от одного его конца к другому.

2. Передачу энергии при теплопроводности можно объяснить с точки зрения внутреннего строения вещества.

Молекулы ближнего к спиртовке конца стержня получают от неё энергию, их энергия увеличивается, они начинают более интенсивно колебаться и передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее.

Те, в свою очередь передают энергию своим соседям, и процесс передачи энергии распространяется по всему стержню. Увеличение кинетической энергии частиц приводит к повышению температуры стержня.

Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другому или от одной части тела к другой передается энергия.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой благодаря тепловому движению частиц называется теплопроводностью.

3. Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводностью обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения.

Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах.

Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

4. Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если на дно колбы с водой аккуратно через трубочку опустить кристаллик марганцево-кислого калия и нагревать колбу снизу так, чтобы пламя касалось её в том месте, где лежит кристаллик, то можно увидеть, как со дна колбы будут подниматься окрашенные струйки воды. Достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться.

Объясняется это явление так. Нижний слой воды нагревается от пламени спиртовки. Нагреваясь, вода расширяется, её объём увеличивается, а плотность соответственно уменьшается.

На этот слой воды действует архимедова сила, которая выталкивает нагретый слой жидкости вверх. Его место занимает опустившийся вниз холодный слой воды, который, в свою очередь, нагреваясь, перемещается вверх и т.д.

Следовательно, энергия в данном случае переносится поднимающимися потоками жидкости (рис. 69).

Подобным образом осуществляется теплопередача и в газах. Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла (рис. 70), то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Теплопередача, которая осуществляется в этом опыте и в опыте, изображенном на рисунках 69, 70, называется конвекцией.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа.

Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

5. Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Если закрепить металлическую коробочку (теплоприёмник), одна сторона которой блестящая, а другая чёрная, в штативе, соединить коробочку с манометром, а затем налить в сосуд, у которого одна поверхность белая, а другая чёрная, кипяток, то, повернув сосуд к чёрной стороне теплоприёмника сначала белой стороной, а затем чёрной, можно заметить, что уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится. При этом он сильнее понизится, когда сосуд обращён к теплоприёмнику чёрной стороной (рис. 71).

Понижение уровня жидкости в манометре происходит потому, что воздух в теплоприёмнике расширяется, это возможно при нагревании воздуха.

Следовательно, воздух получает от сосуда с горячей водой энергию, нагревается и расширяется. Поскольку воздух обладает плохой теплопроводностью и конвекция в данном случае не происходит, т.к.

плитка и теплоприёмник располагаются на одном уровне, то остаётся признать, что сосуд с горячей водой излучает энергию.

Опыт также показывает, что чёрная поверхность сосуда излучает больше энергии, чем белая. Об этом свидетельствует разный уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником.

Чёрная поверхность не только излучает больше энергии, но и больше поглощает. Это можно также доказать экспериментально, если поднести включённую в сеть электроплитку сначала к блестящей стороне тенлоприёмника, а затем к чёрной. Во втором случае жидкость в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, опустится ниже, чем в первом.

Таким образом, чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле.

Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

  • Примеры заданий
  • Ответы

Часть 1

1. В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём

1) конвекции2) излучения и конвекции3) теплопроводности

4) конвекции и теплопроводности

2. Теплопередача путём конвекции может происходить

1) только в газах2) только в жидкостях3) только в газах и жидкостях

4) в газах, жидкостях и твёрдых телах

3. Каким способом можно осуществить теплопередачу между телами, разделёнными безвоздушным пространством?

1) только с помощью теплопроводности2) только с помощью конвекции3) только с помощью излучения

4) всеми тремя способами

4. Благодаря каким видам теплопередачи в ясный летний день нагревается вода в водоёмах?

1) только теплопроводность2) только конвекция3) излучение и теплопроводность

4) конвекция и теплопроводность

5. Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом вещества?

1) только теплопроводность2) только конвекция3) только излучение

4) только теплопроводность и излучение

6. Какой(-ие) из видов теплопередачи сопровождается(-ются) переносом вещества?

1) только теплопроводность2) конвекция и теплопроводность3) излучение и теплопроводность

4) только конвекция

7. В таблице приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопроводности вещества, для некоторых строительных материалов.

В условиях холодной зимы наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен требует дом из

1) газобетона2) железобетона3) силикатного кирпича

4) дерева

8. Стоящие на столе металлическую и пластмассовую кружки одинаковой вместимости одновременно заполнили горячей водой одинаковой температуры. В какой кружке быстрее остынет вода?

1) в металлической2) в пластмассовой3) одновременно

4) скорость остывания воды зависит от её температуры

9. Открытый сосуд заполнен водой. На каком рисунке правильно изображено направление конвекционных потоков при приведённой схеме нагревания?

10. Воду равной массы нагрели до одинаковой температуры и налили в две кастрюли, которые закрыли крышками и поставили в холодное место. Кастрюли совершенно одинаковы, кроме цвета внешней поверхности: одна из них чёрная, другая блестящая. Что произойдёт с температурой воды в кастрюлях через некоторое время, пока вода не остыла окончательно?

1) Температура воды не изменится ни в той, ни в другой кастрюле.2) Температура воды понизится и в той, и в другой кастрюле на одно и то же число градусов.3) Температура воды в блестящей кастрюле станет ниже, чем в чёрной.

4) Температура воды в чёрной кастрюле станет ниже, чем в блестящей.

11. Учитель провёл следующий опыт. Раскалённая плитка (1) размещалась напротив полой цилиндрической закрытой коробки (2), соединённой резиновой трубкой с коленом U-образного манометра (3). Первоначально жидкость в коленах находилась на одном уровне. Через некоторое время уровни жидкости в манометре изменились (см. рисунок).

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт излучения.2) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт конвекции.

3) В процессе передачи энергии давление воздуха в коробке увеличивалось.4) Поверхности чёрного матового цвета по сравнению со светлыми блестящими поверхностями лучше поглощают энергию.

5) Разность уровней жидкости в коленах манометра зависит от температуры плитки.

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Внутреннюю энергию тела можно изменить только в процессе теплопередачи.2) Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии движения молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

3) В процессе теплопроводности осуществляется передача энергии от одних частей тела к другим.4) Нагревание воздуха в комнате от батарей парового отопления происходит, главным образом, благодаря излучению.

5) Стекло обладает лучшей теплопроводностью, чем металл.

Ответы

Сантехника
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: