Теплопроводность и теплоемкость материалов

Теплопроводность

Теплопроводность – способность материала проводить тепловой поток через свою толщину при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Показателем теплопроводности является коэффициент теплопроводности λ. Иногда теплопроводность выражают величиной, обратной λ,— термическим сопротивлением (R = 1 / λ).

Коэффициент теплопроводности зависит от природы материала, его строения, пористости и влажности. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен по сравнению с материалом аморфного строения. Коэффициент теплопроводности слоистых (слоистые пластики) и волокнистых (древесина) материалов существенно зависит от направления теплового потока по отношению к слоям или волокнам. Так, у древесины вдоль волокон он примерно вдвое больше, чем поперек.

Величина λ тем больше, чем крупнее поры в материалах. Коэффициент снижается с уменьшением средней плотности однородных материалов, причем наименьшую теплопроводность имеют материалы с развитой пористостью и небольшой влажностью. При увлажнений материала теплопроводность его увеличивается, так как коэффициент теплопроводности воды примерно в 25 раз больше, чем воздуха. Ниже приводятся коэффициенты теплопроводности различных материалов, Вт / (м · °С); для сравнения даются значения λ воды и воздуха:

медь……………………. 403,00

сталь……………………. 58,00

гранит……………………. 2,92

бетон тяжелый…………. 1,28—1,55

кирпич глиняный………. 0,70—0,85

туф……………………….. 0,35—0,45

сосна:

вдоль волокон 0,30

поперек волокон    0,17

минеральная вата   0,06—0,09

бетон теплоизоляционный . .0,03—0,08

вода… … 0,599

воздух           0,023

Теплопроводность имеет практическое значение при выборе материалов для наружных стен, перекрытий и покрытий зданий, изоляции теплосетей, холодильников, котлов и т. п.

Теплоемкость

Теплоемкость – свойство материала поглощать тепло при нагревании и отдавать при охлаждении. Отношение теплоемкости к единице количества материала (по массе или объему) называется удельной теплоемкостью, которая численно равна количеству тепла (в Дж), необходимому для нагревания I кг материала на I °С. Удельная теплоемкость, кДж / (кг -°С), приведенных ниже материалов составляет:

медь 0,38

сталь      0,46—0,48

алюминиевые сплавы     0,90

природные каменные материалы    0,75—0,93

бетон тяжелый 0,80—0,92

кирпич    0,74

сосна . .        2,51

Теплоемкость учитывают при определении теплоустойчивости наружных ограждений отапливаемых зданий (требуются материалы с наиболее высокой удельной теплоемкостью), при расчете подогрева составляющих бетона и раствора, также мастик для работ в зимнее время и т. п.

Тепловое расширение

Тепловое расширение – свойство материала изменять объем и размеры при нагревании. Количественно характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения. Коэффициент объемного расширения равен относительному увеличению объема материала, а коэффициент линейного расширения – относительному увеличению его длины при нагревании на 1 °С. Жесткое соединение нескольких материалов с разными коэффициентами теплового расширения может вызвать в конструктивном элементе значительные по величине напряжения, которые приведут к его короблению и растрескиванию. При большом изменении размеров материала из-за колебаний температуры может произойти его разрушение.

Огнестойкость – способность материала противостоять действию огня и высоких температур во время пожара. По степени огнестойкости все материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Под действием огня или высокой температуры материалы ведут себя по-разному: несгораемые (природные каменные материалы, бетон, кирпич, сталь и т. п.) не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются; трудносгораемые (фибролит, асфальтовый бетон, древесина, пропитанная огнезащитными составами) с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются в присутствии источника огня; сгораемые (незащищенная древесина, войлок, рубероид, большинство полимерных материалов) воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня. Причем из числа несгораемых одни материалы (кирпич глиняный, черепица, большинство бетонов) практически не деформируются и не растрескиваются, другие – значительно деформируются (сталь), а некоторые разрушаются (гранит, мрамор, известняк).

При оценке огнестойкости материалов необходимо также учитывать совместное действие высокой температуры, воды и других жидкостей, используемых при тушении пожара, а также химических веществ и газов, выделяющихся из некоторых материалов (особенно полимерных).

Огнеупорность – свойство материала выдерживать, не расплавляясь и не деформируясь, длительное воздействие высоких температур. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие: огнеупорные (например, шамотный кирпич) выдерживают продолжительное воздействие температуры свыше 1580 °C (используют для внутренней облицовки промышленных печей), тугоплавкие (гжельский кирпич) выдерживают температуру 1350—1580 °С, легкоплавкие (кирпич глиняный обыкновенный) противостоят температуре ниже 1350 °С.

Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Она зависит от обратного электропроводности свойства – электрического сопротивления. Очевидно, что чем меньше удельное электрическое сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток. В зависимости от этого показателя все материалы подразделяют на проводники, полупроводники и изоляторы. К проводникам относятся серебро, медь и ее сплавы, алюминий, сталь. Хорошими изоляторами являются резина, асбест, фарфор, стекло, пластические массы. Полупроводники (кремний, мышьяк и др.) занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами; в обычных условиях они слабо проводят электрический ток. Полупроводники широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, в частности для регулирования силы тока и напряжения, преобразования одного вида энергии в другой.

Электропроводность и соответственно электрическое сопротивление материалов учитывают при оценке качества и выборе шнуров, проводов, кабелей, электроустановочных и других изделий.

Цвет материалов – это определенное зрительное ощущение, вызываемое в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения в диапазоне видимой части спектра. В общем случае цвет материала связан с его окраской, свойствами поверхности и оптическими свойствами источников света. Цвет играет большую роль при выборе облицовочных и отделочных материалов.

Структура – строение материала, определенное сочетание его составных частей. В структуре материалов различают структуру горной породы, структуру металла и др.

Фактура (от латинского фактура – обработка, строение) – видимое строение поверхности материала. Различают две группы фактур: рельефные (с разной высотой и разнообразным характером рельефа) и гладкие (от зеркально-блестящих до шероховато-ровных).

Цвет, структура и фактура различных материалов более подробно рассмотрены при их характеристике в соответствующих главах книги.

Архитектурная энциклопедия © 2016 Яндекс.Метрика