Строительные материалы и изделия

Теплофизические свойства материалов

Теплофизические свойства материалов необходимы при про­ектировании ограждающих конструкций зданий и сооружений и определяют выбор материалов для них. Проблему термонапряжен­ного состояния конструкций также невозможно решить без зна­ния этих свойств.

Теплоемкость. Если сообщить телу количество теплоты Q, то тем­пература его повысится на At градусов. Отношение С = Q/At назы­вается теплоемкостью системы. Характеристикой материала явля­ется удельная теплоемкость с, представляющая собой количество теплоты (Дж), которое нужно сообщить телу массой 1 кг, чтобы его температура поднялась на 1 К: с - С/т, где т — масса тела.

Приближенный результат для многофазных систем можно по­лучить по правилу аддитивности, если для каждой из п фаз извест­ны удельная теплоемкость с, и масса т,:

Теплопроводность. Теплопроводность — это способность тела передавать теплоту внутри себя от горячих частей к холодным.

Если нагревать на огне один конец металлического стержня, то очень скоро можно почувствовать, что и другой его конец ста­новится горячим. Это происходит потому, что атомы на горячем конце, увеличив частоту и амплитуду своих колебаний, воздей­ствуют на соседние, менее нагретые атомы, заставляя их коле­баться сильнее. Те, в свою очередь, передают энергию колебаний дальше — так теплота распространяется от горячего конца стерж­ня к холодному. Теплота во всех твердых телах передается колеба­ниями решетки (атомных ядер). В металлах в переносе теплоты участвуют также электроны проводимости, причем их вклад в теп­лопроводность на два порядка выше, чем решетки. Поэтому теп­лопроводность металлов очень высокая.

В основе классической теории теплопроводности лежит закон Фурье, который для плоскопараллельной однородной стенки (рис. 2.2) с температурой, изменяющейся только по толщине стенки 8 и не зависящей от времени т, имеет вид

Q = XU] h)Sx, (2.1)

8

где Q — количество теплоты, прошедшее через стенку толщиной 8, площадью S за время т при разности температур на поверхностях стены 0 = (/, -12); А — коэффициент пропорциональности, называ­емый коэффициентом внутренней теплопроводности, Вт/(м-°С).

Из уравнения (2.1) следует, что коэффициент А = Q8/(OSx) — это количество теплоты, проходящей через однородную стенку толщиной 1 м, площадью 1 м2 за время 1 с при разности темпера­тур на поверхностях стены 1 К.

Закон Фурье не учитывает зависимость А от температуры. Для плохо проводящих материалов при температуре t = -100...800°С эта зависимость может быть описана уравнением X, = А0(1 + Р0, где А„ Х0 —

нию Xt = Ao(l + 0,0032/), где XQ = 0,0238 Вт/(м - °С). Другие факто­ры, влияющие на X, относятся к особенностям материала, поэто­му X является характеристикой его теплоизоляционных свойств. Чем ниже X, тем лучше теплоизоляционные свойства материала. Эти свойства зависят главным образом от его пористости и влаж­ности.

При заполнении объема материала порами (воздухом) его теп­лопроводность резко снижается, так как X неподвижного воздуха очень мал. Конвекция (перемещение) воздуха в порах повышает теплопроводность. Для уменьшения конвекции размеры пор дол­жны быть как можно меньше. Лучшими теплоизоляционными материалами являются материалы с высокой (близкой к 100%) пористостью и очень малыми изолированными друг от друга по­рами. Теплопроводность таких материалов приближается к тепло­проводности воздуха.

Плотность связана с истинной пористостью линейной зависи­мостью у0 = р(1 - П„/100), поэтому служит косвенной характери­стикой теплопроводности. Чем меньше у0, тем меньше X и тем лучше теплоизоляционные свойства, но ниже прочность матери­ала.

Влага, попавшая в поры, сильно повышает теплопроводность материалов. Коэффициент X сухого воздуха (без конвективного теплообмена) составляет 0,024, а для воды X = 0,8 Вт/(м - °С), что

в 25 раз больше. При замене воздуха в порах материала водой теп­лопроводность растет почти линейно с увеличением объемной влажности WQ:

Xw = X + 51V0,

где X — теплопроводность сухого материала; 8 — угловой коэффи­циент, определяемый экспериментально (обычно 8 находится в пределах 0,002...0,004).

В случае замерзания воды в порах теплопроводность увеличится почти в 4 раза, так как X льда составляет 2,32 Вт/(м • °С). Следова­тельно, необходимо защищать теплоизоляционные материалы от увлажнения.

Отношение толщины слоя материала 8 к коэффициенту тепло­проводности X называется сопротивлением теплопередаче: R-b/X.

Тепловое расширение материалов. Тепловое расширение мате­риалов характеризуется коэффициентом линейного температурно­го расширения (КЛТР), который показывает, на какую долю уве­личивается длина изделия при нагревании на 1 °С. Значения КЛТР и других теплофизических характеристик для некоторых материа­лов приведены в табл. 2.2.