Чем больше плотность тем больше теплопроводность

Содержание

Теплоизоляция необходима в любом помещении, где температура в какое-либо время года не должна быть равной температуре окружающей среды.

Оптимальная температура в помещении достигается с помощью работы обогревательных или охлаждающих устройств.

Чтобы искусственно настроенная температура внутри здания не изменялась из-за диффузии неодинаково нагретых частей внутри и снаружи здания, используют строительные материалы с наименьшим коэффициентом теплопроводности.

Что такое теплопроводность?

чем больше плотность тем больше теплопроводностьТеплопроводность — физическое свойство тела (тел) обменивать внутреннюю энергию с помощью диффузии атомов и молекул, которые хаотически перемещаются от более нагретых частей к более холодным.

Атомы и молекулы двигаются в хаотичном порядке до тех пор, пока температура по всему занимаемому объёму не выровняется.

Чем больше теплопроводность вещества, тем быстрее сквозь него передаётся более высокая или более низкая температура.

Теплопроводность определяется количеством теплоты в Дж, которая, при разнице температур в противоположно расположенных параллельных плоскостях в 1 К, проходит через 1 м² за 1 ч.

Коэффициент теплопроводности выражают в Вт/м*К.

Роль коэффициента теплопроводности при принятии архитектурно-строительного решения

Теплопроводность твёрдых тел, каковыми являются все строительные материалы, проявляется за счёт переноса тепла, происходящего в результате колебаний кристаллической решётки.

чем больше плотность тем больше теплопроводностьБольшая теплопроводность строительного материала недопустима для возведения архитектурных сооружений. Чем больше теплопроводность, тем меньше теплоизоляционные качества материала, необходимые для поддержания в помещении температуры, отличной от температуры окружающей среды.

Строительные материалы с низкой теплопроводностью помогают сохранить достигнутый градус в помещении вне зависимости от погодных условий, благодаря минимальному поддержанию диффузии между разными по температуре частицами.

Чем меньше коэффициент теплопроводности материала, тем лучше его теплоизоляционные качества.

Хорошая теплоизоляция избавит от сквозняков, холодных стен, быстрого остывания, промерзания или нагрева помещения, позволит существенно сэкономить на устройствах обогрева или охлаждения.

Хотите узнать о конструкции ленточного фундамента?

Или почитайте ЗДЕСЬ об установке пластиковых окон своими руками.

Конструкционные материалы и их теплопроводность

Теплопроводность вещества зависит от его плотности. Чем больше плотность вещества, тем выше теплопроводность. С увеличением пористости понижается ее коэффициент.

Низкий коэффициент теплопроводности материала определяет его хорошие теплоизоляционные качества.

Бетон

  • Плотность: 500 кг/м³–2 500 кг/м³. Показатель зависит от состава смеси.
  • Теплопроводность: 1,28–1,51 Вт/м*К. Показатель меняется в зависимости от консистенции бетона.

Бетонная смесь используется для заливки монолитного фундамента, а бетонные блоки – для закладки фундамента и возведения стен.

Железобетон

  • Плотность: 2 500 кг/м3; бетонная смесь без вибрирования (применения глубинного вибратора) – 2 400 кг/м3.
  • Теплопроводность: 1,69 Вт/м*К.

Лёгкий бетон на пористых заполнителях называют ячеистым бетоном.

Используют в качестве конструкционного и теплоизоляционного материала. Самые распространённые строительные материалы из бетона на пористых заполнителях — газобетон, пенобетон, керамзитобетон.

Данные материалы применяются для возведения многоэтажных, частных домов и для дополнительных пристроек: бань, гаражей, сараев.

Керамзитобетон

чем больше плотность тем больше теплопроводностьПолнотелые керамзитобетонные блоки производятся с помощью вибропрессования. Не имеют пустот и отверстий. Часто используются для кладки несущих стен или закладки фундамента.

Пустотелые керамзитобетонные блоки делают с применением специальных форм, позволяющих при заливке смеси сформировать герметичные или сквозные пустоты.

Обладают меньшей прочностью по сравнению с полнотелыми керамзитобетонными блоками. Имеют меньшую теплопроводность, что делает их оптимальным материалом для возведения нетяжёлых конструкций с требуемой высокой теплоизоляцией.

  • Плотность: 500 кг/м³–1 800 кг/м³.
  • Теплопроводность: 0,14–0,66 Вт/м*К.

Газобетон

чем больше плотность тем больше теплопроводностьИзготавливается из газосиликата. С помощью специализированных газообразователей внутри блока формируют приблизительно сферические поры (пустоты), их диаметр 1–3 мм.

  • Плотность: 300–800 кг/м3. Зависит от количества и размера пустот.
  • Теплопроводность: 0,1–0,3 Вт/м*К.

Пенобетон

Изготавливается с применением пенообразующих добавок. Имеет пористую структуру.

  • Плотность: 600–1 000 кг/м3.
  • Теплопроводность: 0,1–0,38 Вт/м*К.

Саманный кирпич

чем больше плотность тем больше теплопроводностьИзготавливается из глины и наполнителя.

  • Плотность: 500 кг/м³–1 900 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,1–0,4 Вт/м*К.

Керамический кирпич

Изготавливается из обожжённой глины.

  • Плотность: полнотелый – 1 600 кг/м³–1 900 кг/м³; пустотелый – 1 100 кг/м³–1 400 кг/м³;
  • Теплопроводность: полнотелый – 0,56–0,86 Вт/м*К; пустотелый–0,35–0,41 Вт/м*К.

Силикатный кирпич

чем больше плотность тем больше теплопроводностьИзготавливается из песка и извести.

  • Плотность: 1 100 кг/м³–1 900 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,81–0,87 Вт/м*К.

Дерево

  • Плотность: 150 кг/м³–2 100 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,2–0,23 Вт/м*К.

Строительные конструкционные материалы, даже с низкой теплопроводностью, нуждаются в дополнительном утеплении.

Хотите узнать о материалах для черновой отделки помещения?

Или почитайте ЗДЕСЬ о несъемной опалубке из пенополистирола.

А в этой статье вы узнаете, как выбрать лотки для ливневки: />

Утеплители и их теплопроводность

чем больше плотность тем больше теплопроводностьИспользуются для утепления фундамента, пола, стен здания внутри и снаружи, потолка и крыши.

Пенопласт

  • Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,31–0,33 Вт/м*К.

Пенополистирол

  • Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,028–0,035 Вт/м*К.

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.

Базальтовая (каменная) вата

  • Плотность: 30 кг/м³–200 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,035–0,042 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/м.куб. 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/м.куб. для стяжки и от 80 кг/м.куб. 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

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.  

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.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше  (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

В сухом состоянии При нормальной влажности При повышенной влажности
Войлок шерстяной 0,036-0,041 0,038-0,044 0,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3 0,036 0,042 0,,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3 0,035 0,041 0,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3 0,036 0,042 0,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3 0,037 0,043 0,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м3 0,038 0,045 0,048
Стекловата 15 кг/м3 0,046 0,049 0,055
Стекловата 17 кг/м3 0,044 0,047 0,053
Стекловата 20 кг/м3 0,04 0,043 0,048
Стекловата 30 кг/м3 0,04 0,042 0,046
Стекловата 35 кг/м3 0,039 0,041 0,046
Стекловата 45 кг/м3 0,039 0,041 0,045
Стекловата 60 кг/м3 0,038 0,040 0,045
Стекловата 75 кг/м3 0,04 0,042 0,047
Стекловата 85 кг/м3 0,044 0,046 0,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС) 0,036-0,041 0,038-0,044 0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS) 0,029 0,030 0,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3 0,14 0,22 0,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3 0,11 0,14 0,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3 0,15 0,28 0,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3 0,13 0,22 0,28
Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м3 0,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м3 0,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м3 0,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м3 0,085-0,1
Пеноблок 100 — 120 кг/м3 0,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м3 0,05-0,062
Пеноблок 171 — 220 кг/м3 0,057-0,063
Пеноблок 221 — 270 кг/м3 0,073
Эковата 0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3 0,029 0,031 0,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3 0,035 0,036 0,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3 0,041 0,042 0,04
Пенополиэтилен сшитый 0,031-0,038
Вакуум 0
Воздух +27°C. 1 атм 0,026
Ксенон 0,0057
Аргон 0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels) 0,014-0,021
Шлаковата 0,05
Вермикулит 0,064-0,074
Вспененный каучук 0,033
Пробка листы 220 кг/м3 0,035
Пробка листы 260 кг/м3 0,05
Базальтовые маты, холсты 0,03-0,04
Пакля 0,05
Перлит, 200 кг/м3 0,05
Перлит вспученный, 100 кг/м3 0,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3 0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3 0,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м3 0,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3 0,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3 0,078
Пробка техническая, 50 кг/м3 0,037

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50.13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Сравнивают самые разные материалы

в сухом состоянии при нормальной влажности при повышенной влажности
ЦПР (цементно-песчаный раствор) 0,58 0,76 0,93
Известково-песчаный раствор 0,47 0,7 0,81
Гипсовая штукатурка 0,25
Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3 0,14 0,22 0,26
Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3 0,21 0,33 0,37
Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3 0,29 0,38 0,43
Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м3 0,15 0,28 0,34
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3 0,23 0,39 0,45
Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3 0,31 0,48 0,55
Оконное стекло 0,76
Арболит 0,07-0,17
Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м3 1,51
Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м3 0,15-0,44
Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м3 0,35-0,58
Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м3 0,56
Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м3 0,9-1,5
Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м3 0,3-0,7
Керамическийй блок поризованный 0,2
Вермикулитобетон, 300-800 кг/м3 0,08-0,21
Керамзитобетон, 500 кг/м3 0,14
Керамзитобетон, 600 кг/м3 0,16
Керамзитобетон, 800 кг/м3 0,21
Керамзитобетон, 1000 кг/м3 0,27
Керамзитобетон, 1200 кг/м3 0,36
Керамзитобетон, 1400 кг/м3 0,47
Керамзитобетон, 1600 кг/м3 0,58
Керамзитобетон, 1800 кг/м3 0,66
ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР 0,56 0,7 0,81
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3) 0,35 0,47 0,52
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3) 0,41 0,52 0,58
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3) 0,47 0,58 0,64
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3) 0,7 0,76 0,87
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот 0,64 0,7 0,81
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот 0,52 0,64 0,76
Известняк 1400 кг/м3 0,49 0,56 0,58
Известняк 1+600 кг/м3 0,58 0,73 0,81
Известняк 1800 кг/м3 0,7 0,93 1,05
Известняк 2000 кг/м3 0,93 1,16 1,28
Песок строительный, 1600 кг/м3 0,35
Гранит 3,49
Мрамор 2,91
Керамзит, гравий, 250 кг/м3 0,1 0,11 0,12
Керамзит, гравий, 300 кг/м3 0,108 0,12 0,13
Керамзит, гравий, 350 кг/м3 0,115-0,12 0,125 0,14
Керамзит, гравий, 400 кг/м3 0,12 0,13 0,145
Керамзит, гравий, 450 кг/м3 0,13 0,14 0,155
Керамзит, гравий, 500 кг/м3 0,14 0,15 0,165
Керамзит, гравий, 600 кг/м3 0,14 0,17 0,19
Керамзит, гравий, 800 кг/м3 0,18
Гипсовые плиты, 1100 кг/м3 0,35 0,50 0,56
Гипсовые плиты, 1350 кг/м3 0,23 0,35 0,41
Глина, 1600-2900 кг/м3 0,7-0,9
Глина огнеупорная, 1800 кг/м3 1,4
Керамзит, 200-800 кг/м3 0,1-0,18
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м3 0,23-0,41
Керамзитобетон, 500-1800 кг/м3 0,16-0,66
Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3 0,22-0,28
Кирпич клинкерный, 1800 — 2000 кг/м3 0,8-0,16
Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м3 0,93
Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м3 1,35
Листы гипсокартона, 800 кг/м3 0,15 0,19 0,21
Листы гипсокартона, 1050 кг/м3 0,15 0,34 0,36
Фанера клеенная 0,12 0,15 0,18
ДВП, ДСП, 200 кг/м3 0,06 0,07 0,08
ДВП, ДСП, 400 кг/м3 0,08 0,11 0,13
ДВП, ДСП, 600 кг/м3 0,11 0,13 0,16
ДВП, ДСП, 800 кг/м3 0,13 0,19 0,23
ДВП, ДСП, 1000 кг/м3 0,15 0,23 0,29
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м3 0,33
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м3 0,38
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м3 0,2 0,29 0,29
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м3 0,29 0,35 0,35
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м3 0,35
Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м3 0,23-0,35
Ковровое покрытие, 630 кг/м3 0,2
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3 0,16
Полистиролбетон, 200-500 кг/м3 0,075-0,085
Ракушечник, 1000-1800 кг/м3 0,27-0,63
Стеклопластик, 1800 кг/м3 0,23
Черепица бетонная, 2100 кг/м3 1,1
Черепица керамическая, 1900 кг/м3 0,85
Черепица ПВХ, 2000 кг/м3 0,85
Известковая штукатурка, 1600 кг/м3 0,7
Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м3 1,2

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

В сухом состоянии При нормальной влажности При повышенной влажности
Сосна, ель поперек волокон 0,09 0,14 0,18
Сосна, ель вдоль волокон 0,18 0,29 0,35
Дуб вдоль волокон 0,23 0,35 0,41
Дуб поперек волокон 0,10 0,18 0,23
Пробковое дерево 0,035
Береза 0,15
Кедр 0,095
Каучук натуральный 0,18
Клен 0,19
Липа (15% влажности) 0,15
Лиственница 0,13
Опилки 0,07-0,093
Пакля 0,05
Паркет дубовый 0,42
Паркет штучный 0,23
Паркет щитовой 0,17
Пихта 0,1-0,26
Тополь 0,17

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

Бронза 22-105 Алюминий 202-236
Медь 282-390 Латунь 97-111
Серебро 429 Железо 92
Олово 67 Сталь 47
Золото 318

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающих
конструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

Формула расчета теплового сопротивления

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т.д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

  1. Для начала просчитаем тепловое сопротивление стены из кирпича. Полтора кирпича это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кладки из кирпича 0,56. Считаем по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Такое тепловое сопротивление имеет стена в 1,5  кирпича.
  2. Эту величину отнимаем от общего теплового сопротивления для региона: 3,5-0,68 = 2,82. Эту величину необходимо «добрать» теплоизоляцией и отделочными материалами.

    Рассчитывать придется все ограждающие конструкции

  3. Считаем толщину минеральной ваты. Ее коэффициент теплопроводности 0,045. Толщина слоя будет: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. То есть, чтобы обеспечить требуемый уровень утепления, толщина слоя минеральной ваты должна быть не меньше 13 см.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

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 {SDelta T}{l}},}

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}{3pi ^{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 термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:

τ∂q∂t=−(q+ϰ∇T).{displaystyle tau {frac {partial mathbf {q} }{partial t}}=-left(mathbf {q} +varkappa ,nabla Tright).}

Если время релаксации τ{displaystyle tau } пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Графен 4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
Арсенид бора 200—2000
Карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь нелегированная 47—58
Свинец 35,3
Сталь нержавеющая (аустенитная) 15
Кварц 8
Термопасты высокого качества 5—6
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Бетон на гравии или щебне из природного камня 1,51
Базальт 1,3
Стекло 1—1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Бетон на песке 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,05—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1) 0,038—0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) 0,029—0,032
Стекловата 0,032—0,041
Каменная вата 0,034—0,039
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022
Аэрогель 0,017
Аргон (273—320 K, 100 кПа) 0,017
Аргон (240—273 K, 100 кПа) 0,015
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

См. также

  • Теплопередача
  • Конвекция
  • Равновесный градиент температуры
  • Тепловое излучение
  • Закон Ньютона — Рихмана
  • Уравнение диффузии
  • Теплоизоляция

Ссылки

  • Теплопроводность воды и водяного пара
  • Коэффициенты теплопроводности элементов
  • Таблица теплопроводности веществ и материалов