ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

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):

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

’ [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.