Термоизоляторы
18. Изложенные выше теоретические и экспериментальные данные о теплопроводности воздушных пустот проливают некоторый свет и на более широкий круг материалов, служащих в практике термоизолято - рами. Это — всякого р. да рыхлые и вооЗще порозиые и пористые материалы. Мы видели выше, как уменьшается теплопроводность воздушных пустот с уменьшением их ширины и высоты. Представив себе дробление некоторой воздушной полости множеством вертикальных и горизонтальных плоскостей (диафрагм), мы получим теоретическое приближение к тому, что представ. іяют собой термоизоляторы; это — совокупность множества мелких воздушных пустот (ячеек), разделенных тонкими материальными диафрагмами - Малый объемный вес таких материалов— и тем меньший, чем они менее теплопроводны—говорит о том, что твердый материал диафрагм занимает лишь незначительную часть их объема, главная часть которого занята воздухом. При этом последний разделен на мелкие замкнутые и полу ;амкпутые ячейки, в которых он почти неподвижен. В меру этой неподвижности, да еще в меру слабого участия в общем объеме термоизолятора твердых диафрагм, разные роды таких термоизоляторов и приближаются по своей нетеплопроводности к совершенно неподвижному воздуху (). =0,02). Наиболее нізк-ім из коэфициентов теплопроводности считался до последних лет 0,033; однако коэфициеит л для ламповой сажи оказался не только ниже этого предела,- но и сравнялся с коэфициентом для неподвижного воздуха, а при некоторых, условиях бывает г:эже ниже его.
Вообще же можно сказать, что теплопроводность термоизоляторов уменьшается вместе с уменьшением их плотности, особенно в применении к одному н пому же виду; например бетоны дают нам в этом отношении следующие соотношения (в сухом виде):
1 м3 в кг |
к |
Состав |
600 |
0.27 |
Трепельный |
850 |
0.33 |
Шлаковым |
2 000 |
0,90 |
Пес ж, цемент, гравий |
1:4:7 |
Подобные же соотношения видим и у других материалов (см. приложение I). На этом наблюдении могут быть основаны иногда искусственные приемы уменьшения теплопроводности некоторых материалов.
Так, чтобы уменьшить теплопроводность песка, угольной или шлаковой мелочи, надо отгрохотить из их массы зерна примерно одинаковой величины, удалив из общей смеси более крупные зерна н ‘особенно — бялге мелкие. Тогда пористость полученного материала будет наибольшей, а потому вес единицы объема — наименьший, что приводит и к уменьшению теплопроводности. Так, гравий, сосгэищий из однообразных зерен размером 0,7 см, имеет вес 1 м3 в 1 520 кг и. процент пустот 43,5; песок с зернами 0,1 см—1 679 кг и процент пустот 35,5, л смесь того и другого материала дает вес 2 058 кг и процент всего в 21,8; соответственно теплопроводность последнего материала окатывается выше обеих предыдущих.
В свете тех же соотношений становится понятным и сильно:; увеличение теплопроводности как этих термоизоляционных материалов, так и всех других (которые всегда пористы в той или иной мере) при их увлажнении: воздух в ячейках и порах имеет коэфициент внутренней теплопроводности 0,02, а вода, его замещающая, 0,50.
Наконец легко объяснимо и общее у всех материалов возрастание коэфнциепта теплопроводности вместе с повышением их температуры. Если поры всякого тела суть воздушные пустоты, разделенные диафрагмами, то в этих пустотах имеют место и взаимное лучеиспускание стенок и его влияние на общую теплопроводность тела (хотя и очень незначительное в силу большого дробления пустот диафрагмами). При повышении температуря это лучеиспускание усиливается (так как с повышается, см. приложение V), поэтому и теплопроводность несколько возрастает.
19. Но если понятна качественная сторона этих зависимостей, то все же пока отсутствует определенная математическая зависимость тепл шроводности тел от их плотности (веса 1 м3), температуры и т. д. Как легко убедиться из таблицы (приложение I), первая зависимость вообще не представляется зак - номерной (систематической, выражаемой какой-либо плави ;й кривой). Так, для некоторых материалов (бетонов) и в некоторых пределах их плотностей теплопроводность почти пропорциональна плитно'ти, но вне этих материалов и пределов такое соответствие нарушается. Например пробка, дерево и кирпич лают нам некоторое соответствие плотностей и коэфициеитов X; но в то же время видим, что коксовая мелоть при одинаковом коэфициенте X с деревом имеет двойную против него плотность, асбестово-цементный шифер — четырехкратную, а лед при десятикратном X имеет лишь полуторную плотность.
Даже для близких по составу материалов, например силикатных, указанная пропорциональность не имеет места; так, высокопористый кирпич (см. в приложении 1) при весе в 2 раза меньшем против •обыкновенного имеет X в 2г/3—3 раза меньший. Это зависит, очевидно, от иной структуры материала.
Особенную важность, но и сложюсть представляет эта зависимость у порошков - їх материалов, служащих обычно термоизоляторами. У них ■есть какая-то особая связь между теплопроводностью и внутренней структурой вещества, как о том говорят вышеприведенные примеры с подбором зерен этих материалов.
20. Совершенно новый свет проливает на этот вопрос — о законах
теплопроводности пористых веществ—применение к нему кинетической теории газов. Впервые вступил на эту почву краковский проф. Сыо - луховскнй, который на основании своих теоретических и экспериментальных исследований сделал доклад на эту тему вюроыу интернациональному холодильному конгрессу в 1910 г. в Веие. Он нашел, что в то время как при атмосферном давлении лишь одно из известных, нам веществ имеет коэфициеит X, равный козфициенту воздуха X „ = 0,02, в разреженной атмосфере все исследованные им рыхлые термоизоляционные порошки обладают свойством понижать свой коэфициеит X. ниже Хвз — притом весьма значительно. На данной нм диаграмме, приведенной на рис. 9, представлено изменение коэфициентов X для 5 разных порошков при пониженных давлениях; коэфициенты X представлены ординатами диаграммы, а давления (точнее — логарифмы давлений)-— абсциссами. Порошки были следующие: 1) кварцевый песок с величиной зерен ь 0,26 .к.;/, 2) цинковая ныль при диаметре зерен 0,028 мм,
о) тончайшая цинковая пыль-—0,0062 мм, 4) кизельгур и 5) ламповая сажа. Три первых принадлежат к группе зернистых термоизоляционных веществ, два последних—к группе губчатых веществ с неразделимыми іі потому неопределенно мелкими частицами. На той же диаграмме пунктирная прямая па высоте ординаты 0,02 обозначает X... Из диаграммы видно, что при атмосферном давлении величина X всего ниже у второй группы порошков, и только ламповая сажа имеет X,' равный X
Рис. 9. |
’ [14] ВЗ
(некоторые сорта сажи имеют коэ - фициенты даже ниже X ); но, начиная
с известных степеней разрежения воздуха, все остальные материалы понижают свой коэфициеит почте до 0.
Объяснение этого явлення, а вместе с тем и всей вообще закономерности в теплопроводных свойствах порошков состоит в следующем. По кинетической теории газоЕ последние состоят из множества мельчавших молекул движущихся с громадной скоростью (485 Mjcerc при 0°) в разных направлениях и непрерывно сталкивающихся друг с другом и со стенками оболочек („давление" газа на стенки). Столкновения эти при указанном количестве молекул настолько часты, что свободный путь каждой из них (между столкновениями) в среднем составляет гсего 0,0001 мм. С уменьшением объема, занимаемого данным количеством газа, увеличивается число уларов его молекул друг о друга и о стенки, что ведет к увеличению давления (с уменьшением свободной длины путей). При повышении температуры газа увеличивается скорость его молекул, а поэтому и живая сила их ударов о стенки..
что также обозначает псвышение давления. Наконец при разрешении газа уменьшается число его молекул в данном объеме, поэтому уменьшаются удары их о стенки оболочек, равно и взаимные столкновения молекул, иначе говоря — увеличивается свободная длина их пути. Эта последняя величина вместе со скоростью движения молекул играет важнейшую, решающую роль в большинстве физических Свойств газов *.
Так, мы знаем, что если в одной части газовой среды создана искусственно иная температура, чем в остальной массе, или иное давление, или наконец иная консистенция смеси с другим газом, то во всех случаях происходит процесс выравнивания условий температуры, давления, консистенции. Это объясняется тем, что молекулы газа, имевшие первоначально неодинаковую скорость или неодинаковый свободный путь движения, в силу отличия своей энергии от других начинают при столкновениях с ними терять это отличие, передавая его постепенно молекулам остальной массы. С этой точки зрения л тепловое движение (теплопередача) в газе есть не что иное, как передача повышенной энергии движении одних молекул молекулам с пониженной энергией.
С той же точки зрения находит себе объяснение и то обстоятельство, что все указанные свойства газов, в частности их теплопроводность, в известных границах не зависят от йх давления, но при сильном разрежении становятся пропорциональными давлению. Это и подтверждается прямыми опытами физики и в частности вышеупомянутыми опытами проф. Смолуховского над термоизоляторами.
Но раз кинетическая теория газов нашла себе таким образом точку опоры в вопросе о теплопроводности пористых, богатых воздухом веществ, она обещает в будущем дать и общее решение этого вопроса с помощью своих математических формул. Силу этого последнего метода она уже показала в данной области. Так, для перечисленных выше трех видов движения газов (выравнивающего разности) она вывела математические формулы в виде функций от упснякз'той выше средней свободной длины путей молекулярного движения при 0°. Определив далее из опытов некоторые коэфицненты этих уравнений при всех трех процессах, она решила эти уравнения относительно свободной длины путей и получила во всех трех случаях почти одну и ту же величину (U,0001 мм). Это позволяет рассчитывать, что и в дальнейшем приложение физико-математических методов этой теории к вопросу о теплопроводности термоизоляторов даст в этой области некоторые общие решения взамен тех узко практических опытных данных, которыми техника располагает здесь в настоящее время.
Эго и начал уже делать в свое время проф. Смолуховский (ныне покойный). Рассматривая .с точки зрения кинетической теории гззоь теплопередачу через газовую среду между двух стенок с температурами t1 и t2 на взаимном расстоянии / при коэфициенте теплопроводности газа X, он нашел, что закон этой теплопередачи выражается не
формулой Q = —П——, как обычно принимается ныне[15], а формулой
где d есть упомянутая выше свободная длина пути газовых молекул. Применяя аналогичный метод к термоизоляционным порошкам (в которых предположены были для упрощения шарообразные зерна), он получил для их коэфициента теплопроводности формулу:
где а — радиус зерна, р — давление газа при опыте и р0—атмосферное давление, d0—-длина свободного пути молекул при атмосферном давлении, Х0 — соответствующий тому же давлению коэфициеит теплопроводности и А—-постоянная величина, зависящая от расположения зерен. Определив после этого экспериментальным путем X и А для разных газов, исследователь получил из уравнения величину d0, достаточно близкую к тем, которые ранее и другими путями были установлены кинетической теорией для этих свободных длин. Это —для проверки; по существу же уравнения эта величина является основным фактором для получения X.
Та же величина свободной длины путей оказывается решающей и в вопросе о теплоотдаче от поверхности стены к прилегающему газу, т. е. в вопросе о коэфицненте а. Кинетическая теория уже объяснила со своей точки зрения тог факт, подтвержденный опытами, что а понижается с рязрежение. и газа (за недостатком места не входим здесь в рассмотрение этого объяснения); остается, очевидно, ожидать, что, как и коэфициеит X, величина а будет выражена теорией в функции от свободной длины путей d0.
Заканчивая на эгом рассмотрение теплопроводности воздушных прослойков и связанных с ними, термоизоляционных веществ, обратимся теперь к общему решению вопроса об общем коэфицненте теплопередачи ограждений любой конструкции.