Рубрика: Теплопроводность

Теплопроводность стали так же, как и других металлов и их сплавов между собой, может меняться в очень широких пределах. При этом, как правило, теплопроводность чистых металлов всегда выше, чем теплопроводность их сплавов.

Теплопроводность – это перенос  тепловой энергии молекулами и атомами в результате их теплового движения. Характеризуется  коэффициентом  теплопроводности, который измеряется в Вт/м*К.

Сталь имеет поликристаллическое строение. Она состоит из отдельных зерен размером от 0,01 до 0,2 мм, сросшихся между собой. Между зернами в виде тонких прослоек расположены вкрапления карбидов, оксидов и т.д.

На теплопроводность стали влияет то, какие примеси в нее добавлены. Например, добавки хрома и марганца  снижают теплопроводность.

В зависимости от содержания углерода выделяют низкоуглеродистые стали – с содержанием углерода до 0,25%, среднеуглеродистые стали  — с содержанием углерода от 0,25 до 0,6%, высокоуглеродистые стали  — с содержанием углерода от 0,6 до 2%. При увеличении содержания в стали углерода она становится тверже, но при этом и ее ковкость, и ее теплопроводность падают.

Значения теплопроводности стали при нормальных условиях следующие:

• Коэффициент теплопроводности железа (железом называют обычно сталь с содержанием углерода менее 0,1%) – 60  Вт/м*К.
• Коэффициент теплопроводности стали 13Н2ХА  – 32  Вт/м*К.
• Коэффициент теплопроводности стали 25Л  – 45  Вт/м*К.
• Коэффициент теплопроводности стали 1Х13 (ЭЖ1, Ж1)  – 31  Вт/м*К.
• Коэффициент теплопроводности стали Х18Н9Т (ЭЯ1Т)  – 14  Вт/м*К.
• Коэффициент теплопроводности стали ЭИ690 (Ж572)  – 15  Вт/м*К.
• Коэффициент теплопроводности стали ХН35ВТ (ЭИ612), ХН35ВМТ (ЭИ692), ХН35ВТР (ЭИ725)  – 13  Вт/м*К.
• Коэффициент теплопроводности стали Х22Н26 (ВЖ100)  – 12  Вт/м*К.
• Коэффициент теплопроводности серого чугуна средней прочности (чугун – это сталь, содержащая до 2% углерода) – 42 – 58 Вт/м*К.

При повышении температуры теплопроводность стали уменьшается, при понижении – увеличивается. В результате длительной работы стальных деталей в условиях высоких температур происходит процесс теплового старения стали, в результате которого, кроме прочего, происходит и уменьшение ее теплопроводности.

Теплопроводность  дерева по сравнению с другими материалами относительно невысокая, благодаря чему строительство жилья из дерева до сих пор, несмотря на появление большого количества новых материалов с самыми разнообразными, а порой и уникальными свойствами, остается широко распространенным.  Хотя в  основном строительство частных домов  делается из различных видов стеновых блоков, особая атмосфера добротно построенного деревянного дома для многих остается привлекательной.

Теплопроводность – это способность материала передавать тепловую энергию атомами и молекулами вещества при наличии разности температур на противоположных сторонах его поверхности, характеризующаяся коэффициентом теплопроводности.

Теплопроводность дерева зависит от ряда параметров. Дерево с большой плотностью, такое например как дуб или береза, будет иметь более высокий коэффициент теплопроводности, чем дерево с меньшей плотностью, например как ель или сосна. Более высокий коэффициент теплопроводности у дерева вдоль волокон, чем поперек волокон.

К примеру у сосны и ели (средняя плотность 500 кг/м3) в сухом состоянии поперек волокон коэффициент 0,09 Вт/м*К, вдоль волокон 0,18 Вт/м*К. У дуба (средняя плотность 700 кг/м3) в сухом состоянии поперек волокон коэффициент 0,10 Вт/м*К, вдоль волокон 0,23 Вт/м*К. Разница большая, примерно в два раза.

По этой причине в срубе, особенно сделанном с соединениями бревен или бруса без выступов с внешней стороны, самые холодные места – углы, и на них в процессе строительства деревянного дома нужно обращать наиболее пристальное внимание.

На значение коэффициента теплопроводности также большое влияние оказывает влажность. У сырого дерева теплопроводность заметно выше, чем у сухого.  Два-три нижних венца деревянного дома всегда более влажные, чем вышележащие, тем более важно, чтобы высота фундамента обеспечивала максимальную защиту от воды как грунтовой, дождевой, так и талой. Тем более, влажное дерево не только хуже удерживает тепло, но и быстрее сгнивает.

Также, к ухудшению теплозащитных свойств, приводят образующиеся в процессе высыхания дерева трещины. При этом, чем более влажным было дерево изначально, тем больше трещин образуется.

Лучший лес для строительства тот, что рос на высоких, сухих участках, срублен зимой, и перевезен на машинах, а не сплавлен  по реке. И на участке своевременно ошкурен и просушен на выкладках.

Для сравнения приведу коэффициенты теплопроводности других материалов, используемых в строительстве.

Сосновые опилки – 0,045 Вт/м*К, фанера клееная (плотность 600 кг/м3) – 0,12 Вт/м*К, ДСП (плотность 1000 кг/м3) – 0,15 Вт/м*К, арболитовые блоки, произведенные на основе щепы (плотность 500 кг/м3) – 0,095 Вт/м*К..

Железо – 60,0 Вт/м*К ; известняк – 2,6 Вт/м*К; силикатный полнотелый кирпич —  0,7 – 0,8 Вт/м*К; полнотелый керамический кирпич – 0,5 – 0,8 Вт/м*К; керамический кирпич поризованный —  0,22 Вт/м*К; газобетонные блоки (плотность 600 кг/м3) – на песке 0,14, на золе 0,13 Вт/м*К.

Теплопроводность бетона может меняться в очень широких пределах.

Теплопроводность – это свойство материалов передавать тепло от его части с более высокой температурой, к его же части с более низкой температурой путем теплового движения молекул.

Строительные материалы, имеющие низкую теплопроводность, хорошо предохраняют в построенных из них зданиях в холодную погоду от холода, а в жаркую от избытка тепла, сохраняя условия, комфортные для проживания человека, экономя энергозатраты и деньги, необходимые для их обслуживания. Материалы с высокой теплопроводностью быстро набирают температуру окружающей среды, легко передавая через себя и тепло, и холод.

У тяжелых бетонов теплопроводность высокая, в среднем около 1,5 Вт/м*К. Естественно с отклонениями в большую или меньшую сторону в зависимости от вида наполнителя, какой именно щебень по составу использован для приготовления бетона, какое количество цемента в единице объема, какова влажность. Теплоизоляционные его свойства низкие.

Другое дело легкие бетоны, имеющие гораздо более низкую теплопроводность, позволяющую использовать их в качестве высокоэффективных стеновых строительных материалов, как в виде монолитных строительных конструкций, так и в виде панелей, плит перекрытия и стеновых блоков. Не зря в настоящее время они так широко применяются в домостроении.

Для наиболее распространенных ячеистых бетонов, газобетона и пенобетона, у наиболее ходовых марок с плотностью 500 кг/м3 коэффициент теплопроводности 0,10 – 0,12 Вт/м*К, с плотностью 700 кг/м3 – 0,13 – 0,14 Вт/м*К, с плотностью 600 кг/м3 – 0,15 – 0,18 Вт/м*К. При этом более высокая теплопроводность у ячеистых бетонов, у которых в качестве наполнителя используется песок, более низкая, где применяется  зола.

У полистиролбетонных блоков, в качестве наполнителя содержащих мелкие шарики вспененного полистирола, коэффициент теплопроводности при наиболее ходовой плотности 500кг/м3, при которой блоки можно использовать для строительства несущих стен, составляет 0,125 Вт/м*К.

Коэффициент теплопроводности арболита в зависимости от состава может меняться в пределах от 0,08 до 0, 17 Вт/м*К. Наиболее высокие показатели  – это естественно для теплоизоляционного арболита (с плотностью от 400 до 500 кг/м3), более низкие – для конструкционного (с плотностью от 500 до 850 кг/м3).

Керамзитобетон, в зависимости от состава, в первую очередь, в зависимости от количества цемента, также будет иметь различные теплоизоляционные свойства. Так при плотности 800 кг/м3 он будет иметь расчетный коэффициент  теплопроводности 0,35 Вт/мК, а при плотности 1400 кг/м3 —  0,45 Вт/м*К.

Выше приведенные цифры указаны для бетонов в сухом состоянии. Однако, теплопроводность бетона сильно зависит от его влажности, от того, содержится в его порах воздух или вода. Теплопроводность воздуха составляет 0,026 Вт/м*К, воды – 0,58 Вт/м*К, льда – 1,8 Вт/м*К. Чем больше суммарный объем порового пространства, тем ниже теплопроводность бетона. Хорошим примером этого являются пенобетоны и газобетоны, у которых высокие теплозащитные свойства напрямую связаны с пористостью благодаря низкой теплопроводности воздуха. Но при этом более низкая теплопроводность у бетонов с герметичными, не связанными между собой порами – у газобетонов. Но при намокании бетонов, их теплопроводность резко возрастает, так как в порах воздух замещается водой, которая имеет гораздо более высокий коэффициент теплопроводности. Таким образом, если бетон имеет повышенную влажность, то соответственно и быстрее промерзает, а после того, как при замерзании вода превращается в лед, теплопотери через него увеличиваются еще больше. И чем выше его влажность, тем сильнее теплопотери.

На значение коэффициента теплопроводности бетона влияют также и свойства наполнителя. Как правило, чем выше плотность материала, используемого в качестве наполнителя, тем выше и его теплопроводность. Однако не всегда. Так как теплопроводность у веществ с кристаллической структурой выше, чем у веществ с аморфной, то и бетон, сделанный на их основе будет иметь более высокий коэффициент теплопроводности при одной и той же плотности.

Теплопроводность  воздуха составляет 0,026 Вт/м*К.  Благодаря такой низкой его теплопроводности наши окна в домах хорошо сохраняют тепло, но это конечно только в том случае, если они герметичны, и не происходит постоянного замещения более теплого воздуха более холодным. Причем само стекло имеет относительно высокую теплопроводность – 1,0  – 1,15 Вт/м*К, но использование двойных и тройных стекол с соответствующими воздушными прослойками помогают удерживать в помещении тепло даже тогда, когда устраиваются в помещениях огромные, во всю стену, окна.

По этой же причине хорошо удерживают тепло пористые, содержащие большое количество воздуха, материалы. При этом, чем больше объем пор, тем  лучше этим материалы удерживают тепло. Так теплопроводность ваты составляет 0,055 Вт/м*К, теплопроводность войлока – 0,057 Вт/м*К. А теплопроводность свежего, еще не уплотненного  снега составляет 0,10 – 0,15 Вт/м*К. Благодаря таким его свойствам растения под снегом, укрытые им как шубой, спокойно переживают зиму, тогда как в малоснежные зимы часть их вымерзает.

Точно так же благодаря его низкой теплопроводности нас согревает одежда, также имеющая множество заполненных воздухом пор. На этом же принципе защищают от холода построенные из них дома такие строительные материалы как стеновые блоки: пеноблоки, газобетонные блоки, полистиролбетонные блоки, керамзитобетонные блоки, арболитовые блоки, шлакоблоки; деревянные пиломатериалы, минеральные ваты, пенопласты и т.д.

Теплопроводность  пенопласта среди строительных материалов является одной из лучших. В сочетании с такими показателями как низкая плотность и легкая обработка, устойчивость к воздействию влаги и микроорганизмов делает его одним из самых востребованных.

Пенопласт – это целый класс материалов, вспененных пластических масс  – газонаполненные пластмассы (полимеры). Наиболее известные из них – полиуретановые пенопласты, поливинилхлоридные пенопласты, фенол-формальдегидные пенопласты, карбамидно-формальдегидные пенопласты, полистирольные пенопласты.

Теплопроводность это перенос теплоты молекулами, атомами и электронами вещества в процессе теплового движения.

В качестве утеплителей чаще всего применяются такие пенопласты как пенополистирол, пеноплекс, экстрол.

Коэффициент теплопроводности пенополистирола:

• ПСБ-С 15 (плотность 11 – 15 кг/м3) – 0,042 Вт/м*К;
• ПСБ-С 25 (плотность 15,1 – 25 кг/м3) – 0,039 Вт/м*К;
• ПСБ-С 35 (плотность 25,1 – 35 кг/м3) – 0,037 Вт/м*К;
• ПСБ-С 50 (плотность 35,1 – 50 кг/м3) – 0,040 Вт/м*К.

Коэффициент теплопроводности пеноплекса (экструзионного вспененного полистирола):

• 35 (плотность менее 33 – 38 кг/м3) – 0,030 Вт/м*К;
• 45 (плотность 38,1 – 45 кг/м3) – 0,032 Вт/м*К.

Коэффициент теплопроводности экстрола (экструзионного пенополистирола):

Марки 30 – 45 (плотность от 30 до 45 кг/м3) – 0,029 Вт/м*К, марки различаются только по прочности на сжатие (от 0,25 до 0,50 Мпа) и группам горючести (от Г1 до Г4).

Правильное применение тех или иных пенопластов в строительстве помогает создать теплые и экономичные здания и сооружения без ущерба для их экологических характеристик. Высокая долговечность, способность не терять свои свойства со временем, помогают долгие годы им согревать, построенные с их использованием строения. По крышами домов, построенных из теплых стеновых блоков, с применением современных технологий и материалов живется тепло и уютно.

Теплопроводность  металлов по сравнению с другими веществами относительно высока. В одних случаях это преимущество, в других недостаток. К примеру, благодаря высокой теплопроводности стали в сковороде быстро можно приготовить пищу, но по этой же причине о ее металлические ручки можно обжечь руки. По этой же причине батареи отопления в доме быстро нагреваются, ну а через металлические трубы и арматуру в дом наоборот проникает зимний холод. Металл с низкой теплопроводностью дольше нагревается, по этой причине, если после сильного нагрева его резко охладить, он может растрескаться.

Теплопроводность – это перенос тепловой энергии структурными частицами вещества.

Более высокая теплопроводность у чистых металлов.

Теплопроводность серебра составляет 430 Вт/м*К; золота – 320 Вт/м*К; олова – 67 Вт/м*К; алюминия (плотность 2600 кг/м3) – 221 Вт/м*К;  меди (плотность 8500 кг/м3)- 407 Вт/м*К; свинца – 35 Вт/м*К.

Более низкая теплопроводность у сложных сплавов.

Теплопроводность латуни составляет 97 – 111 Вт/м*К;  стали (плотность 7850 кг/м3)- 58 Вт/м*К; нихрома – 12 Вт/м*К.

Известна  так называемая «деревянная» сталь – прецизионный сплав, состоящий из 64% железа, 35% никеля и 1% хрома, которая дает сплав с уникально низкой теплопроводностью, близкой к теплопроводности дерева, но изменение состава в ту или иную сторону хотя бы на 1%, приводит к возвращению стали обычной ее теплопроводности.

В строительстве высокая теплопроводность металлов также обязательно учитывается при проектировании и ведении работ. Если к примеру дом строится и самых что ни на есть теплых стеновых блоков, но при этом целый ряд металлических элементов – стальных уголков, балок, труб, будет проходить через всю стену, связывая между собой “мостиками холода” улицу и внутреннее пространство дома, потери тепла и затраты на обогрев зимой могут быть значительны. Если утепление крыши сделано из самых лучших теплоизоляционных материалов, но связующие металлические элементы не защищены от холода и являются источником его попадания в дом, то крыша дома все равно не будет держать тепло. Правильное же использование заставит все свойства металлов, включая и его теплопроводность, приносить нам только пользу.

Теплопроводность воды по сравнению с другими веществами относительно высока. Коэффициент теплопроводности воды при атмосферном давлении составляет 0,60 Вт/м*К при 20°С. При этом коэффициент теплопроводности воздуха – 0,026 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности пенопласта в среднем – 0,3 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности войлока – 0,046 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности дерева в среднем – 0,15 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности пенобетона в среднем – 0,3 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности красного керамического полнотелого кирпича 0,5 – 0,8 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности стекла 1,0 – 1,15 Вт/м*К.

При этом теплопроводность например металлов гораздо более высокая. Коэффициент теплопроводности стали в среднем – 47 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности алюминия – 202 – 236 Вт/м*К, коэффициент теплопроводности меди – 382 – 390 Вт/м*К.

Теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой, или от части тела с меньшей температурой к части тела с большей температурой, при котором происходит обмен энергией молекул, атомов и свободных электронов.

Вода это оксид водорода (Н2О), хороший растворитель, химически активное вещество, способное существовать по соседству в виде жидкости, льда и пара одновременно. Причем теплопроводность ее не только в различных состояниях, но и даже при разных температурах в одном и том же виде разная. Так теплопроводность воды при атмосферном давлении составляет 0,56 Вт/м*К при +0°С, 0,60 Вт/м*К при 20°С, 0,63 Вт/м*К при 40°С, 0,67 Вт/м*К при 80°С. А теплопроводность льда вообще составляет 2,33 Вт/м*К. Но вот теплопроводность снега будет уже значительно ниже за счет содержащегося в нем воздуха, чем больше воздуха, тем ниже теплопроводность. Коэффициент теплопроводности свежего, только что выпавшего снега снега будет составлять 0,10 – 0,15 Вт/м*К, и будет повышаться по мере его уплотнения.

При насыщении водой различных пористых материалов их теплопроводность достаточно сильно меняется, чем больше пористость, тем больше и изменения. Это происходит потому, что вода вытесняет воздух, который сам по себе довольно сильно увеличивает теплоизоляционные свойства материалов. Так, если сухой не утрамбованный грунт имеет средний коэффициент теплопроводности 0,4 Вт/м*К, сухой утрамбованный – 1,05 Вт/м*К, то грунт с содержанием 10% воды будет уже иметь коэффициент теплопроводности 1,75 Вт/м*К, а с содержанием 20% воды – 2,1 Вт/м*К. Еще сильнее сказывается насыщение водой на ухудшении теплоизоляционных свойств таких материалов как войлок или минеральная вата. Увеличение их влажности приводит к резкому повышению их теплопроводности.

В зимний период повышенная влажность строительных объектов может приводить к тому, что переувлажненные материалы не только будут после промерзания еще хуже держать тепло из-за более высокой теплопроводности льда по сравнению с водой, но и будет уменьшаться срок их службы из-за того, что вода при замерзании расширяется, нарушая связи между частицами строительных стеновых блоков, кирпича и т.д. Важно, чтобы в процессе строительства соблюдались технологические требования, строительные нормы и правила, гидроизоляция проводилась качественно.