Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица

Основные виды коэффициентов теплопередачи материала. Таблица + примеры

Расчёт необходимого утеплителя, если это касается внешних стен дома исходит от регионального размещения здания. Чтобы объяснить наглядно как он происходит, в таблице ниже, приведённые цифры будут касаться Красноярского края.

Вид материала Теплопередача,  Вт/(м*°С) Толщина стен,  мм Иллюстрация
3Д панели 5500 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица
Лиственные породы деревьев с влажностью 15% 0,15 1230 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица
Бетон на основе керамзита 0,2 1630 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица
Пеноблок с плотностью 1 тыс. кг/м³ 0,3 2450 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица
Хвойные породы деревьев вдоль волокон 0,35 2860 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица
Дубовая вагонка 0,41 3350 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица
Кирпичная стена на растворе из цемента и песка 0,87 7110 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица
Железобетонные перекрытия 1,7 13890 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица

Каждое здание имеет разные сопротивления теплопередачи материалов. Таблица ниже, которая является выдержкой из СНиПа, ярко это демонстрирует.

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблицаСопротивление теплопередачи по СниП

Необходимость расчетов

Для чего же необходимо проводить эти вычисления, есть ли от них хоть какая-то польза на практике? Разберемся подробнее.

Оценка эффективности термоизоляции

В разных климатических регионах России разный температурный режим, поэтому для каждого из них рассчитаны свои нормативные показатели сопротивления теплопередаче. Проводятся эти расчеты для всех элементов строения, контактирующих с внешней средой. Если сопротивление конструкции находится в пределах нормы, то за утепление можно не беспокоиться.

В случае, если термоизоляция конструкции не предусмотрена, то нужно сделать правильный выбор утеплительного материала с подходящими теплотехническими характеристиками.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность

Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.

Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.

Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.

Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться

Основные параметры, от которых зависит величина теплопроводности

Не все строительные материалы одинаково теплоэффективны. На это влияют следующие факторы:

Пористая структура материала говорит о том, что подобное строение неоднородно, а поры наполнены воздухом. Тепловые массы, перемещаясь через такие прослойки, теряют минимум своей энергии. Поэтому пенобетон именно с замкнутыми порами считается хорошим теплоизолятором. Замкнутые поры пенобетона наполнены воздухом, который по праву считается лучшим теплоизолятором
Повышенная плотность материала гарантирует более тесную взаимосвязь частиц друг с другом. Соответственно, уравновешивание температурного баланса происходит намного быстрее. По этой причине плотный материал обладает большим коэффициентом проводимости тепла. Поэтому железобетон считается одним из самых «холодных» материалов. Высокая плотность даёт хорошую прочность железобетону, но также и «обделяет» его теплоэффективностью
Влажность – злокачественный фактор, повышающий скорость прохождения тепла

Поэтому так важно качественно произвести гидроизоляцию необходимых узлов здания, грамотно организовать вентиляцию и использовать максимально инертные к намоканию строительные материалы.

«Холодно, холодно и сыро. Не пойму, что же в нас остыло…» Даже Согдиана знает о том, что сырость и холод − вечные соседи, от которых не спрячешься в тёплом свитере

Зная, что такое проводимость тепла, и какие факторы на неё влияют, можно смело пробовать применять свои знания для расчётов будущих строительных конструкций. Для этого нужно знать коэффициенты используемых материалов.

Вязкость (консистенция)

Термопаста не должна быть слишком густой или слишком жидкой. Оптимальной считается вязкость в пределах 160 – 450 Па*с . Этот показатель не часто отображается на сайтах производителей термопаст, и уж тем более на их упаковках.

Если показатель вязкости конкретной термопасты не удается найти, его можно оценить “на ощупь”. По консистенции термопаста должна быть чуть более густой, чем крем для рук или зубная паста.

Почему консистенция должна быть именно такой? Теплопроводность термопасты до 50 раз выше теплопроводности воздуха. Однако, она в несколько десятков раз ниже, чем теплопроводность металла, из которого изготовлен радиатор системы охлаждения. Поэтому термопасту нужно наносить так, чтобы она максимально заполнила микротрещины на поверхности процессора и радиатора, вытеснив оттуда воздух. Но ее слой должен быть минимально для этого необходимым, то есть, он не должен при этом ухудшать плотность прилегания радиатора к процессору и не увеличивать расстояние между ними.

Чем гуще термопаста, тем тяжелее достичь указанного эффекта. Но если термопаста будет слишком жидкой, в процессе эксплуатации она может вытечь под собственным весом (при нагреве ее текучесть дополнительно увеличивается).

На практике, недорогая термопаста с оптимальной вязкостью может оказаться более эффективной, чем слишком густая паста с более высокой теплопроводностью.

Кроме теплопроводности и вязкости, важными являются и некоторые другие свойства. Однако, почти у всех термопаст, доступных сегодня в продаже, они находятся в допустимых пределах и поэтому на них можно не обращать особого внимания. Речь идет о таких характеристиках как:

• термостойкость – способность термопасты сохранять свои основные свойства независимо от температуры;

• диапазон рабочих температур;

Но если Вам вдруг вздумается воспользоваться вместо термопасты каким-нибудь другим веществом, обязательно учитывайте эти его характеристики.

Так, некоторые аматоры, занимающиеся разгоном, вместо обычной термопасты используют смеси на основе мягкого металла индия. Теплопроводность индия высокая (больше 80 Вт/м*К), но, как и все металлы, он является еще и прекрасным электрическим проводником. Если его частичка случайно попадет на материнскую или другую плату компьютера, случится короткое замыкание со всеми вытекающими из этого последствиями. Кроме того, пасты на основе индия могут иметь высокую химическую активность или даже быть токсичными.

Что такое коэффициент теплопроводности ?

Упоминания в технической документации, на форумах и т.п. о &lambda, Вт/мК (Ватт/мК), затрудняет Наше понимание, что и как это работает.Попробую коротко и на примере объяснить, что же такое коэффициент теплопроводности.

В чистом виде теплопроводность наблюдается только в сплошных твердых телах.

Теплота передается непосредственно через материал или от одного материала другому при их соприкосновении (см. рис.). Высокой теплопроводностью обладают плотные материалы — металл, железобетон, мрамор. Воздух имеет низкую теплопроводность. Поэтому через материалы с большим количеством замкнутых пор, заполненных воздухом, плохо передается теплота и они могут использоваться как тепло-конструкционный материал (например – газобетон). Высокая теплопроводность не значит, что материал теплый, а наоборот ! Высокая теплопередача объясняется быстрым теплообменом с другими материалами или окружающей средой. Вот почему в панельных домах (железобетон) летом очень жарко, а зимой холодно.

Для обозначения коэффициента теплопроводности используют символ &lambda (лямбда), единица измерения Вт/мК.

Рис. Теплопередача через газобетонную стену теплопроводностью: 1 — газобетонные блоки; 2 — штукатурка.

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении изучения параметров теплопроводности надо помнить о том, что характеристики конкретного металла или его сплавов от метода его выработки. Например, параметры металла полученного с помощью литья могут существенно отличаться от характеристик материала изготовленного по методам порошковой металлургии. Свойства сырого металла коренным образом отличаются от того, который прошел через термическую обработку.

Термическая нестабильность, то есть преобразование отдельных свойств металла после воздействия высоких температур является общим для практически всех материалов. Как пример можно привести то, что металлы после длительного воздействия разных температур способны достичь разных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводности.

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и определенном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования по измельчению металла для проведения его исследований с применением способов термического анализа. Действительно, такое требование существует при проведении ряда исследований. Бывает и такое требование – как изготовление специальных пластин и многие другие.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В этом методе фиксируется переходная кривая температуры образца между его двумя стационарными состояниями. Этот процесс является следствием скачка тепловой мощности вводимой в испытуемый образец.

Такой метод можно назвать относительным. В нем используются испытуемый и сравнительный образцы.  Главное заключается в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность.  При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных параметров необходимо выдержать определенное количество времени.  Направление  изменения температуры и ее шаг должен быть подобран таким образом, что бы образец, предназначенный для испытаний, прогревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки сравняются  и отношение теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры.Иногда в процессе этих исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца.На один из образцов могут быть созданы дополнительные тепловые нагрузки в сравнении со вторым образцом.

Коэффициенты теплопередачи сталей

Способность передавать тепло для сталей зависит от двух главных факторов: состава и температуры.

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблицаПростые углеродные стали при увеличении содержания углерода снижают свой удельный вес, в соответствии с которым также уменьшается и их способность переносить тепло от 54 до 36 Вт/(м*К) при изменении процента углерода в стали от 0,5 до 1,5%.

Нержавеющие стали содержат в своем составе хром (10% и больше), которые вместе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала, а также повышает электродный потенциал металла. Теплопроводность нержавейки невелика в сравнении с другими сталями и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от ее состава. Жаропрочные хромоникелевые стали обладают еще более низкими значениями этого коэффициента (11—19 Вт/(м*К).

Другим классом являются оцинкованные стали с удельным весом 7 850 кг/м3, которые получают путем нанесения покрытий на сталь, состоящих из железа и цинка. Так как цинк легче проводит тепло, чем железо, то и теплопроводность оцинкованной стали будет относительно высокой в сравнении с другими классами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).

Теплопроводность стали при различных температурах, как правило, не изменяется сильно. Например, коэффициент теплопроводности стали 20 при увеличении температуры от комнатной до 1200 °C снижается от 86 до 30 Вт/(м*К), а для марки стали 08Х13 увеличение температуры от 100 до 900 °C не изменяет ее коэффициент теплопроводности (27—28 Вт/(м*К).

Что может быть утеплителем

Продолжаем наш разговор о теплопроводности утеплителей. Все тела, которые находятся рядом, стремятся уровнять температуру между собой. Дом или квартира, как объект, стремится уровнять температуру с улицей. Способны ли все строительные материалы быть утеплителями? Нет. Например, бетон пропускает тепловой поток из вашего дома на улицу слишком быстро, поэтому нагревательное оборудование не будет успевать поддерживать нужный температурный режим в помещении. Коэффициент теплопроводности для утеплителя рассчитывается по формуле:

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица

Где W это наш тепловой поток, а м2 — площадь утеплителя при разнице температур в один Кельвин (Он равен одному градусу Цельсия). У нашего бетона данный коэффициент составляет 1,5. Это значит, что условно, один квадратный метр бетона при разнице температур в один градус Цельсия способен пропустить 1,5 вата тепловой энергии в секунду. Но, существуют материалы с коэффициентом в 0,023. Ясно, что такие материалы куда лучше подходят на роль утеплителей. Вы спросите, не играет ли значение толщина? Играет. Но, здесь все равно нельзя забыть про коэффициент теплопередачи. Чтобы добиться одинаковых результатов понадобится бетонная стена толщиной 3,2 м или лист пенопласта толщиной 0,1 м. Ясно, что хотя бетон и может формально быть утеплителем, экономически это нецелесообразно. Поэтому:

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица

Лучший теплоизолятор — это воздух. Поэтому задача любого утеплителя создание фиксированной воздушной прослойки без конвекции (перемещения) воздуха внутри нее. Именно поэтому, например, пенопласт на 98% состоит из воздуха. Самыми распространёнными утепляющими материалам считаются:

  • Пенопласт;
  • Экструдированный пенополистирол;
  • Минвата;
  • Пенофол;
  • Пеноизол;
  • Пеностекло;
  • Пенополиуретан (ППУ);
  • Эковата (целлюлоза);

Теплоизоляционные свойства  всех перечисленных выше материалов лежат близко к данным пределам. Также стоит учесть: чем выше плотность материала, тем больше он проводит через себя энергии. Помните из теории? Чем ближе молекулы, тем эффективнее проводится тепло.

Утеплители и их теплопроводность

Используются для утепления фундамента, пола, стен здания внутри и снаружи, потолка и крыши.

Минеральная вата

Минеральная вата имеет способность впитывать влагу. Вода легко накапливается, но очень долго испаряется из данного звуко- и теплоизоляционного материала.

Если минвата перенасытится влагой, то потеряет свои основные изоляционные свойства. Чтобы не допустить впитывание влаги, минвату с двух сторон герметично закупоривают слоем гидроизоляции.

Стекловата

  • Плотность: 15 кг/м³–45 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,038–0,046 Вт/м*К.

Эковата

  • Плотность: 30 кг/м³–110 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,032–0,041 Вт/м*К.

Сравнительные характеристики теплопроводности конструкционных строительных материалов и утеплителей необходимо проанализировать, выбрав для постройки или дополнительной теплоизоляции самый подходящий материал.

Видео о характеристиках теплоизоляционных материалов

7 лет назад intro (эксперт Builderclub) Давайте попробуем разобраться от чего зависит теплопроводность материала и как она может меняться с изменением плотности. И, что вообще за показатель плотность и на что он в первую очередь влияет.

Основным теплоизолятором в любом теплоизоляционном материале является воздух (в обычном или разряженном состоянии). Чем больше воздуха в материале и чем лучше этот воздух изолирован от наружного воздуха (чем сложнее воздуху перетекать внутри материала) — тем лучше (ниже) коэффициент теплопроводности материала.

Теперь далее. Структура пенопласта и структура минеральной ваты абсолютно разные по строению.

Минеральная вата состоит из множества переплетающихся волокон, между которыми находится основной теплоизолятор — воздух. Чем менее плотна эта структура, тем больше воздуха находится в материале (есть, конечно, определенный минимум, который: во-первых, обеспечивает изоляцию от наружного воздуха (оптимальный переток воздуха внутри матерала); во-вторых, позволяет держать форму материалу) и тем ниже теплопроводность этого материала. При более плотной структуре — воздуха меньше — теплопроводность выше (изменения в пределах 10%).

Пенопласт состоит из пенополистирольных шариков, внутри которых уже есть воздух. Поэтому изменение плотности в структуре этого материала (более плотное соединение шариков между собой) на теплопроводности, практически, не отражается (изменения колеблятся в районе долей процента).

Теперь зачем нужен параметр плотность. Чем плотнее материал тем бОльшую нагрузку он может нести. Например, минеральную вату с плотность 35 кг/ нельзя укладывать под стяжку пола или в колодцевую кладку стены, т.к. в первом случае стяжка ее раздавит, а во втором минеральная вата со временем осядет. И в первом, и во втором случаях нужно использовать более плотный материал (от 160 кг/ для стяжки и от 80 кг/ для колодцевой кладки).

Поскольку структура пенопласта другая, то сравнивать по несущей способности минеральную вату и пенопласт одинаковой плотности некорректно. Хотя, в итоге, плотность пенопласта так же влияет на несущую способность этого материала. Чем плотнее — тем выше несущая способность.

Надеюсь, достаточно понятно объяснил.

ответить

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q→=−ϰgrad(T),{\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}

где q→{\displaystyle {\vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{\displaystyle \varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{\displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=−ϰSΔTl,{\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} [Вт/(м·К) · (м2·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

где P{\displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S{\displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{\displaystyle \Delta T} — перепад температур граней, l{\displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ{\displaystyle \varkappa } с удельной электрической проводимостью σ{\displaystyle \sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰσ=π23(ke)2T,{\displaystyle {\frac {\varkappa }{\sigma }}={\frac {\pi ^{2}}{3}}\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}T,}
где k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана;
e{\displaystyle e} — заряд электрона;
T{\displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

ϰ∼13ρcvλv¯,{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ{\displaystyle \rho } — плотность газа, cv{\displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ{\displaystyle \lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯{\displaystyle {\bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

ϰ=ik3π3/2d2RTμ,{\displaystyle \varkappa ={\frac {ik}{3\pi ^{3/2}d^{2}}}{\sqrt {\frac {RT}{\mu }}},}

где i{\displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5{\displaystyle i=5}, для одноатомного i=3{\displaystyle i=3}), k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ{\displaystyle \mu } — молярная масса, T{\displaystyle T} — абсолютная температура, d{\displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R{\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}l{\bar {v}}\propto P}, где l{\displaystyle l} — размер сосуда, P{\displaystyle P} — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Adblock
detector