Теплопроводность утеплителей таблица: Теплопроводность утеплителей таблица

Содержание

Таблица теплопроводности утеплителей: сравнительные характеристики их свойств

Название материала Область применения Теплопроводность Плюсы в эксплуатации Минусы в эксплуатации Уровень горения
Пенопласт ПСБ-С 25 Полы, стены, крыша 0,048 Жесткий материал Недолговечность в эксплуатации, плохая паропроницаемость и образование конденсата Высокий
Древесные опилки Старые деревянные постройки 0,092-0,180 Дешевый, но экологичный материал Подверженность гниению Высокий
Стекловолокно Стены, закрытые фасады, крыша 0,041-0,044 Низкая теплопроводность Со временем потеря теплоизоляционных свойств, уязвимость к плесени, осыпание волокон при эксплуатации, плохая паропроницаемость, образование конденсата, неудобства при монтаже (может нанести вред коже и глазам) Не горит и не выделяет токсичных веществ
Базальтовая вата Потолки, полы, стены, сэндвич-панели, крыши, перекрытия, трубопроводы 0,048 Высокая паропроницаемость, не подвержена гниению, звукоизоляционный и термоизоляционный материал Содержит фенол-формальдегидные компоненты Огнеупорна
Пенополиуретан Потолки, полы, перегородки, крыши, чердачные перекрытия, трубопровод, фундамент 0,019-0,03 Экологичный материал, легко используется при монтаже, долгий срок при эксплуатации, эффективная тепло-, звуко- и гидроизоляция, антикоррозийная защита, бесшовность крепления Огнеупорен
Керамзит Пол, чердачные перекрытия, кладка слоями 0,148 Не горит Имея тяжелый вес, вызывает трудности при монтаже огнеупорен
Перлит вспученный Кладки стен 0,043 Благодаря своей пористой консистенции является звукоизоляционным материалом, не подвержен гниению, не теряет своих теплоизоляционных свойств со временем, негорючий материал, Тяжелая масса, плохая паропроницаемость, образование конденсата огнеупорен

Сравнение утеплителей: таблица теплопроводности

Home » Сравнение утеплителей: таблица теплопроводности

Сравнение утеплителей: таблица теплопроводности

В подавляющем большинстве случаев в строительных конструкциях жилого и промышленного назначения используются утеплители.

Схема утепления бетонного пола пенополистиролом.

Сравнение утеплителей позволяет получить наиболее полную картину их характеристик, что, в свою очередь, дает возможность сделать правильный выбор.

Содержание:

Как правило, применение утеплителей предполагается по всем плоскостям строительных конструкций. Теплоизоляции подлежат чердачные перекрытия, внешние стены и цокольные перекрытия.

Свойства утеплителя

Выбирая утепление необходимо учитывать большой спектр его характеристик. Наиболее важными из них будут:

Схема утепления стен стекловатой.

  1. Плотность. От этого показателя в прямой зависимости находится теплопроводность. Чем она плотнее, тем показатель теплопроводности выше. Кроме того, этот показатель во многом является определяющим для различно ориентированных поверхностей.
  2. Теплопроводность. Это основной показатель утеплителей. Чем меньше способность удерживать тепло, тем больше требуется материала на утепление. В свою очередь, этот показатель зависит от способности впитывать влагу.
  3. Гигроскопичность. Утеплители, у которых этот показатель низкий, плохо впитывают влагу и, соответственно, имеют низкую способность проводить тепло, что влияет, как на потребное количество, так и долговечность.

Кроме того, по своим механическим свойствам утеплители обычно делят на четыре класса:

  • насыпной — гранулы или крошка — пеновещества различных фракций;
  • вата — непосредственно рулонный материал или различные изделия с ее использованием;
  • плиты — пластины различных размеров, изготовленные способом склеивания и прессования;
  • пеноблоки — изготавливаются из вспененного бетона, стекла или других материалов с соответствующими свойствами.

Сравнительные характеристики утеплителей

Найти утеплитель, обладающий универсальными свойствами, не представляется возможным. Сравнение утеплителей позволяет выбрать материал с необходимым набором качеств. Сравнительная характеристика наиболее важных показателей представлены в следующей таблице.

Таблица теплоизоляционных свойств материалов

Материал Плотность в кг/м3 Минимальный слой, см Теплопроводность Гигироскопичность
Насыпной Шлак 1000 30 А Б
Керамзит 500 20 Б Г
Стеклопор 10 Г А
Перлит, вермикулит 10 Д А
Базальтовое волокно 130 15 Г Б
Рулонный Стекловата 10-15 Г Б
Минвата 10-15 Г Б
Маты прошивные 10-15 Г Б
Пластифом 50-60 2 Г Д
Изовер, УРСА 10-15 Г Б
Пенофол 60-70 5 Г В
Пенополистирол 30-40 10 Д В
Пенополиуретан 30-60 10 Д В
Плитно-листовой Пенопласт 35-50 10 Д В
Мипора 25-40 10 Д В
Из минваты и стекловаты 10-15 Г Б
Древесно-волкнистые 250 Б А
Пеноблоки Керамзитобетон 1000 40 А В
Пенобетон 600 25 Б Б
Газобетон 20-40 Б Б
Ячеистый бетон 20-40 Б Б
Газосиликатные блоки 20-40 Б Б

Обозначения:

  1. А — Очень высокая.
  2. Б — Высокая.
  3. В — Средняя.
  4. Г — Низкая.
  5. Д — Очень низкая.

Сравнение теплопроводности и гигроскопичности различных материалов позволяет осуществить подбор как по количеству, так и по качествам.

Цокольные перекрытия необходимо утеплять материалом с максимально низкой гигроскопичностью, такой как пластиформ. Это связано с тем, что подобные перекрытия находятся в наиболее сырых местах.

Утепление потолков, пола и других горизонтальных перекрытий вполне возможно производить любыми утеплителями.

Для утепления стен, перегородок и других вертикальных плоскостей лучше использовать плитно-листовые утеплители. Они сохраняют свою форму и теплоизоляционные свойства на протяжении всего срока службы. Насыпные и рулонные материалы на вертикальных поверхностях со временем проседают, что приводит к неравномерной теплоизоляции.

При проектировании теплоизоляции важно также правильно рассчитать толщину теплоизоляционного слоя. Зависимость толщины утепления при наиболее низких внешних температурах приведены ниже.

Таблица толщины утеплителя для перекрытий в см

Плотность кг/м3 Вид Расчетная температура
-25 -35
1 200 Минвата, стекловата, перлит 10 15
2 500 Керамзит 20 30
3 1000 Шлак 30 40

Обзор свойств и характеристик различных теплоизоляционных материалов позволяет сравнивать как отдельные качества, так и планировать необходимый ассортимент для теплоизоляционных работ.


Похожие статьи

Сравнительная таблица утеплителей по теплопроводности, толщине и плотности


Чтобы правильно организовать утепление стен, потолка и пола помещений нужно знать определённые особенности и свойства материалов. От качественного подбора необходимых значений напрямую зависит тепловая устойчивость вашего дома, ведь ошибившись, в первоначальных расчётах вы рискуете сделать утепление здания неполноценным. В помощь вам предоставляется подробная таблица теплопроводности строительных материалов, описанная в этой статье.

Правильно утеплённый дом

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.

Наименование материалаКоэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
В сухом состоянииПри нормальной влажностиПри повышенной влажности
Войлок шерстяной0,036-0,0410,038-0,0440,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м30,0360,0420,,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м30,0350,0410,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м30,0360,0420,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м30,0370,0430,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м30,0380,0450,048
Стекловата 15 кг/м30,0460,0490,055
Стекловата 17 кг/м30,0440,0470,053
Стекловата 20 кг/м30,040,0430,048
Стекловата 30 кг/м30,040,0420,046
Стекловата 35 кг/м30,0390,0410,046
Стекловата 45 кг/м30,0390,0410,045
Стекловата 60 кг/м30,0380,0400,045
Стекловата 75 кг/м30,040,0420,047
Стекловата 85 кг/м30,0440,0460,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС)0,036-0,0410,038-0,0440,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)0,0290,0300,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м30,140,220,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м30,110,140,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м30,150,280,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м30,130,220,28
Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м30,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м30,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м30,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м30,085-0,1
Пеноблок 100 — 120 кг/м30,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м30,05-0,062
Пеноблок 171 — 220 кг/м30,057-0,063
Пеноблок 221 — 270 кг/м30,073
Эковата0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м30,0290,0310,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м30,0350,0360,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м30,0410,0420,04
Пенополиэтилен сшитый0,031-0,038
Вакуум0
Воздух +27°C. 1 атм0,026
Ксенон0,0057
Аргон0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels)0,014-0,021
Шлаковата0,05
Вермикулит0,064-0,074
Вспененный каучук0,033
Пробка листы 220 кг/м30,035
Пробка листы 260 кг/м30,05
Базальтовые маты, холсты0,03-0,04
Пакля0,05
Перлит, 200 кг/м30,05
Перлит вспученный, 100 кг/м30,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м30,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м30,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м30,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м30,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м30,078
Пробка техническая, 50 кг/м30,037

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.

От чего зависит проводимость тепла

Теплопроводность напрямую зависит от следующих факторов:

  • Плотность. Чем ближе молекулы вещества находятся друг к другу, тем быстрее идет обмен энергией. Значит, повышение плотности ведет к снижению теплозащиты.
  • Структура. В пористых материалах содержатся капсулы с воздухом, который существенно затормаживает процесс улетучивания тепла. Пористый — значит более теплый.
  • Влажность. У воды показатель λ при температуре +20°C в 23 раза больше, чем у воздуха. Поэтому промокший кирпич остывает быстрее.

На основе уровня влажности мы вычислим условия эксплуатации, необходимые для уточнения поиска значений теплопроводности в таблице.

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

Название материала, плотностьКоэффициент теплопроводности
в сухом состояниипри нормальной влажностипри повышенной влажности
ЦПР (цементно-песчаный раствор)0,580,760,93
Известково-песчаный раствор0,470,70,81
Гипсовая штукатурка0,25
Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м30,140,220,26
Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м30,210,330,37
Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м30,290,380,43
Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м30,150,280,34
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м30,230,390,45
Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м30,310,480,55
Оконное стекло0,76
Арболит0,07-0,17
Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м31,51
Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м30,15-0,44
Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м30,35-0,58
Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м30,56
Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м30,9-1,5
Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м30,3-0,7
Керамическийй блок поризованный0,2
Вермикулитобетон, 300-800 кг/м30,08-0,21
Керамзитобетон, 500 кг/м30,14
Керамзитобетон, 600 кг/м30,16
Керамзитобетон, 800 кг/м30,21
Керамзитобетон, 1000 кг/м30,27
Керамзитобетон, 1200 кг/м30,36
Керамзитобетон, 1400 кг/м30,47
Керамзитобетон, 1600 кг/м30,58
Керамзитобетон, 1800 кг/м30,66
ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР0,560,70,81
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)0,350,470,52
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3)0,410,520,58
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3)0,470,580,64
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)0,70,760,87
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот0,640,70,81
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот0,520,640,76
Известняк 1400 кг/м30,490,560,58
Известняк 1+600 кг/м30,580,730,81
Известняк 1800 кг/м30,70,931,05
Известняк 2000 кг/м30,931,161,28
Песок строительный, 1600 кг/м30,35
Гранит3,49
Мрамор2,91
Керамзит, гравий, 250 кг/м30,10,110,12
Керамзит, гравий, 300 кг/м30,1080,120,13
Керамзит, гравий, 350 кг/м30,115-0,120,1250,14
Керамзит, гравий, 400 кг/м30,120,130,145
Керамзит, гравий, 450 кг/м30,130,140,155
Керамзит, гравий, 500 кг/м30,140,150,165
Керамзит, гравий, 600 кг/м30,140,170,19
Керамзит, гравий, 800 кг/м30,18
Гипсовые плиты, 1100 кг/м30,350,500,56
Гипсовые плиты, 1350 кг/м30,230,350,41
Глина, 1600-2900 кг/м30,7-0,9
Глина огнеупорная, 1800 кг/м31,4
Керамзит, 200-800 кг/м30,1-0,18
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м30,23-0,41
Керамзитобетон, 500-1800 кг/м30,16-0,66
Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м30,22-0,28
Кирпич клинкерный, 1800 — 2000 кг/м30,8-0,16
Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м30,93
Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м31,35
Листы гипсокартона, 800 кг/м30,150,190,21
Листы гипсокартона, 1050 кг/м30,150,340,36
Фанера клеенная0,120,150,18
ДВП, ДСП, 200 кг/м30,060,070,08
ДВП, ДСП, 400 кг/м30,080,110,13
ДВП, ДСП, 600 кг/м30,110,130,16
ДВП, ДСП, 800 кг/м30,130,190,23
ДВП, ДСП, 1000 кг/м30,150,230,29
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м30,33
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м30,38
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м30,20,290,29
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м30,290,350,35
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м30,35
Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м30,23-0,35
Ковровое покрытие, 630 кг/м30,2
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м30,16
Полистиролбетон, 200-500 кг/м30,075-0,085
Ракушечник, 1000-1800 кг/м30,27-0,63
Стеклопластик, 1800 кг/м30,23
Черепица бетонная, 2100 кг/м31,1
Черепица керамическая, 1900 кг/м30,85
Черепица ПВХ, 2000 кг/м30,85
Известковая штукатурка, 1600 кг/м30,7
Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м31,2

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.

НаименованиеКоэффициент теплопроводности
В сухом состоянииПри нормальной влажностиПри повышенной влажности
Сосна, ель поперек волокон0,090,140,18
Сосна, ель вдоль волокон0,180,290,35
Дуб вдоль волокон0,230,350,41
Дуб поперек волокон0,100,180,23
Пробковое дерево0,035
Береза0,15
Кедр0,095
Каучук натуральный0,18
Клен0,19
Липа (15% влажности)0,15
Лиственница0,13
Опилки0,07-0,093
Пакля0,05
Паркет дубовый0,42
Паркет штучный0,23
Паркет щитовой0,17
Пихта0,1-0,26
Тополь0,17

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.

НазваниеКоэффициент теплопроводностиНазваниеКоэффициент теплопроводности
Бронза22-105Алюминий202-236
Медь282-390Латунь97-111
Серебро429Железо92
Олово67Сталь47
Золото318

Материалы из бетона с добавлением пористых заполнителей

Коэффициент теплопроводности материала позволяет использовать последний для постройки гаражей, сараев, летних домиков, бань и других сооружений. В данную группу можно отнести:

  • Керамзитобетон, показатели которого зависят от его вида. Полнотелые блоки не имеют пустот и отверстий. С пустотами внутри изготавливают которые менее прочные, нежели первый вариант. Во втором случае теплопроводность будет ниже. Если рассматривать общие цифры, то составляет 500-1800кг/м3. Его показатель находится в интервале 0,14-0,65Вт/м*К.
  • Газобетон, внутри которого образуются поры размером 1-3 миллиметра. Такая структура определяет плотность материала (300-800кг/м 3). За счет этого коэффициент достигает 0,1-0,3 Вт/м*К.

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.

Экономичная штукатурная теплоизоляция.

Полимерные штукатурки можно только купить, их не изготовить самостоятельно. Но растворы на минеральных вяжущих экономичнее смешивать своими руками.

Заказать работу наемным рабочим дорого. Но, если смесь изготовить самостоятельно, общая цена несколько упадет. Многие застройщики экономят таким образом: нанимают штукатуров, а сами выполняют для них «черную» работу. С учетом того, что помощь подсобника оплачивается не за м2, а по дням, экономия может быть не значительной. Приблизительно 800-1200 руб/день.

Еще дешевле самостоятельная подготовка стены, выставление маяков и грубое оштукатуривание. «Спецам» останется только выровнять покрытие и нанести декоративный раствор.

Теплоизоляционная дешевая штукатурка для наружных работ.


Изолирующие смеси дороже обычных, поскольку сложнее. Своими руками, к тому же, можно сделать далеко не все.

Однако изготовление раствора на основе цемента под силам любому начинающему строителю и способно ощутимо снизить расход средств. В качестве наполнителя можно использовать как влагостойкие насыпные материалы (вспененное стекло, керамзитовые пески), так и не влагостойкое (опилки, перлит, вермикулит). Последние лишь защищают слоем плотного бетона.

Для внешней теплоизоляционной штукатурки возможно применение полистирольных наполнителей. Самый экономичный наполнитель – измельченный пенополистирол. Его стоимость нулевая, он бесплатен. Если использовать для измельчения пенопластовую упаковку.

Такой бетон широко применяется в России и за ее пределами. Он не плотен и не применим в конструкциях, требующих высокой прочности. Но для внешних утепляющих штукатурок вполне подходит.

Теплоизоляционная штукатурка своими руками для внутренних работ.

За квадратный метр отделки без наполнителя застройщики отдают меньше, чем за смесь с наполнителем. Поэтому некоторые, особенно «предприимчивые» строители, пытаются добавлять утепляющие подсыпки в готовые смеси. Это запрещено: такие манипуляции сильно ослабляют раствор, снижают его прочность и долговечность.

Чтобы снизить стоимость за кв. м. проще сделать замес самому, используя недорогие наполнители и вяжущее. Так глиняно-опилочный раствор практически бесплатен, хотя и не уступает по прочности гипсовому.
data-matched-content-ui-type=»image_stacked» data-matched-content-rows-num=»2″ data-matched-content-columns-num=»3″ data-ad-format=»autorelaxed»>

Изменение температуры и теплоемкость

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Наблюдать за теплопередачей и изменением температуры и массы.
  • Рассчитать конечную температуру после теплопередачи между двумя объектами.

Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагревание повышает температуру, а охлаждение снижает ее. Мы предполагаем, что фазового перехода нет и что над системой или системой не совершается никакой работы.Опыты показывают, что передаваемое тепло зависит от трех факторов — изменения температуры, массы системы, вещества и фазы вещества.

Рис. 1. Теплота Q , переданная для изменения температуры, зависит от величины изменения температуры, массы системы, а также вовлеченного вещества и фазы. а) Количество переданного тепла прямо пропорционально изменению температуры. Чтобы удвоить изменение температуры массы m, нужно добавить удвоенное количество теплоты.б) Количество переданного тепла также прямо пропорционально массе. Чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в удвоенной массе, нужно добавить в два раза больше тепла. в) Количество переданного тепла зависит от вещества и его фазы. Если для того, чтобы вызвать изменение температуры на Δ T в данной массе меди, требуется количество х тепла, то потребуется в 10,8 раз большее количество тепла, чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в той же массе воды, при условии отсутствия фазы. изменение любого вещества.

Зависимость от изменения температуры и массы легко понять. Благодаря тому, что (средняя) кинетическая энергия атома или молекулы пропорциональна абсолютной температуре, внутренняя энергия системы пропорциональна абсолютной температуре и числу атомов или молекул. Благодаря тому, что переданное тепло равно изменению внутренней энергии, теплота пропорциональна массе вещества и изменению температуры. Переносимое тепло также зависит от вещества, так что, например, теплота, необходимая для повышения температуры, для спирта меньше, чем для воды.Для одного и того же вещества передаваемая теплота также зависит от фазы (газовая, жидкая или твердая).

Теплопередача и изменение температуры

Количественная связь между теплопередачей и изменением температуры содержит все три коэффициента: Q = mc Δ T , где Q — условное обозначение теплопередачи,

m — масса вещества, а Δ T – изменение температуры. Символ c означает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы.Удельная теплоемкость – это количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00°С. Удельная теплоемкость c является свойством вещества; его единица СИ – Дж / (кг ⋅ K) или Дж / (кг ⋅ ºC). Напомним, что изменение температуры (Δ T ) одинаково в единицах кельвина и градусах Цельсия. Если теплопередача измеряется в килокалориях, то единицей удельной теплоемкости является ккал/(кг ⋅ ºC).

Значения удельной теплоемкости обычно нужно искать в таблицах, потому что нет простого способа их рассчитать.В общем случае удельная теплоемкость также зависит от температуры. В таблице 1 перечислены репрезентативные значения удельной теплоемкости для различных веществ. За исключением газов, зависимость теплоемкости большинства веществ от температуры и объема слабая. Мы видим из этой таблицы, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла, и в десять раз больше, чем у железа, а это значит, что требуется в пять раз больше теплоты, чтобы поднять температуру воды на ту же величину, что и для стекла, и в десять раз больше, чем для стекла. много тепла, чтобы поднять температуру воды, как для железа.На самом деле вода имеет одну из самых больших удельных теплоемкостей среди всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Пример 1. Расчет необходимого количества тепла: нагрев воды в алюминиевой кастрюле

Алюминиевая кастрюля массой 0,500 кг на плите используется для нагревания 0,250 л воды с 20,0°С до 80,0°С. а) Какое количество тепла потребуется? Какой процент тепла используется для повышения температуры (b) кастрюли и (c) воды?

Стратегия

Посуда и вода всегда имеют одинаковую температуру.Когда вы ставите кастрюлю на плиту, температура воды и сковороды увеличивается на одинаковую величину. Воспользуемся уравнением теплообмена при заданном изменении температуры и массы воды и алюминия. Удельные теплоемкости воды и алюминия приведены в таблице 1.

Решение

Поскольку вода находится в тепловом контакте с алюминием, сковорода и вода имеют одинаковую температуру.

Рассчитать разницу температур:

Δ Т = Т f Т i = 60.0ºС.

Рассчитайте массу воды. Поскольку плотность воды 1000 кг/м 3 , один литр воды имеет массу 1 кг, а масса 0,250 л воды равна м w  = 0,250 кг.

Рассчитайте теплоту, переданную воде. Используйте удельную теплоемкость воды из таблицы 1:

Q w m w c w Δ T = (0,250 кг)(4186 Дж/кгºC)(60,250 кг)(4186 Дж/кгºC)(60,250 кг)(4186 Дж/кгºC)8 кДж.

Рассчитайте тепло, переданное алюминию. Используйте удельную теплоемкость алюминия из таблицы 1:

Q AL = м AL C AL δ T = (0,500 кг) (900 j / кгºC) (60,0ºC) = 27,0 × 10 4 j = 27,0 кДж .<

Сравните процент тепла, поступающего в кастрюлю, и процент тепла, поступающего в воду. Сначала найдем общее переданное тепло:

Q Итого = Q w + Q Al = 62.8 кДж + 27,0 кДж = 89,8 кДж.

Таким образом, количество тепла, идущее на нагрев сковороды, равно

[латекс]\frac{27.0\text{кДж}}{89.8\text{кДж}}\times100\%=30.1\%\\[/латекс]

, а на нагрев воды уходит

[латекс]\frac{62,8\текст{кДж}}{89,8\текст{кДж}}\times100\%=69,9\%\\[/латекс].

Обсуждение

В этом примере тепло, переданное контейнеру, составляет значительную долю от общего количества переданного тепла. Хотя масса кастрюли в два раза больше массы воды, удельная теплоемкость воды более чем в четыре раза больше, чем у алюминия.Следовательно, для достижения заданного изменения температуры воды требуется чуть более чем в два раза больше тепла по сравнению с алюминиевой кастрюлей.

Пример 2. Расчет прироста температуры по работе, совершаемой над веществом: перегрев тормозов грузовика на спусках

Рисунок 2. Дымящиеся тормоза на этом грузовике являются видимым свидетельством механического эквивалента тепла.

Тормоза грузовиков, используемые для контроля скорости на спуске, работают, преобразовывая потенциальную энергию гравитации в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала.Это преобразование предотвращает преобразование потенциальной энергии гравитации в кинетическую энергию грузовика. Проблема заключается в том, что масса грузовика велика по сравнению с массой тормозного материала, поглощающего энергию, и повышение температуры может произойти слишком быстро, чтобы достаточное количество тепла передавалось от тормозов в окружающую среду.

Рассчитайте повышение температуры 100 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью 800 Дж/кг ⋅ ºC, если материал сохраняет 10 % энергии опускающегося грузовика массой 10 000 кг 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Если тормоза не задействованы, гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. При торможении потенциальная энергия гравитации преобразуется во внутреннюю энергию тормозного материала. Сначала мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую весь грузовик теряет при спуске, а затем находим повышение температуры только в тормозном материале.

Решение
  1. Рассчитайте изменение потенциальной энергии гравитации при движении грузовика вниз по склону Mgh = (10 000 кг)(9.{\ circ} C \\ [/латекс].
Обсуждение

Эта температура близка к температуре кипения воды. Если бы грузовик какое-то время ехал, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше температуры окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, повысит температуру тормозного материала выше точки кипения воды, поэтому этот метод нецелесообразен. Однако та же идея лежит в основе недавней гибридной технологии автомобилей, где механическая энергия (потенциальная энергия гравитации) преобразуется тормозами в электрическую энергию (аккумулятор).

Таблица 1. Удельная теплоемкость различных веществ
Вещества Удельная теплоемкость ( c )
Твердые вещества Дж/кг ⋅ ºC ккал/кг ⋅ ºC
Алюминий 900 0,215
Асбест 800 0,19
Бетон, гранит (средний) 840 0.20
Медь 387 0,0924
Стекло 840 0,20
Золото 129 0,0308
Тело человека (в среднем при 37 °C) 3500 0,83
Лед (средний, от −50°C до 0°C) 2090 0,50
Железо, сталь 452 0,108
Свинец 128 0.0305
Серебро 235 0,0562
Дерево 1700 0,4
Жидкости
Бензол 1740 0,415
Этанол 2450 0,586
Глицерин 2410 0,576
Меркурий 139 0,0333
Вода (15.0 °С) 4186 1.000
Газы
Воздух (сухой) 721 (1015) 0,172 (0,242)
Аммиак 1670 (2190) 0,399 (0,523)
Углекислый газ 638 (833) 0,152 (0,199)
Азот 739 (1040) 0,177 (0,248)
Кислород 651 (913) 0.156 (0,218)
Пар (100°C) 1520 (2020) 0,363 (0,482)

Обратите внимание, что пример 2 представляет собой иллюстрацию механического эквивалента тепла. В качестве альтернативы, повышение температуры может быть произведено с помощью паяльной лампы вместо механического.

Пример 3. Расчет конечной температуры при передаче тепла между двумя телами: наливание холодной воды на горячую сковороду

Допустим, вы насыпаете 0,250 кг 20.0ºC воды (около чашки) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг с плиты при температуре 150ºC. Предположим, что кастрюля находится на изолированной подушке и что незначительное количество воды выкипает. При какой температуре вода и кастрюля через короткое время достигают теплового равновесия?

Стратегия

Кастрюля размещена на изолирующей прокладке, чтобы обеспечить небольшой теплообмен с окружающей средой. Первоначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода.Затем теплопередача восстанавливает тепловое равновесие, когда вода и кастрюля соприкасаются. Поскольку теплопередача между кастрюлей и водой происходит быстро, масса испаряемой воды пренебрежимо мала, а величина тепла, теряемого кастрюлей, равна теплу, приобретаемому водой. Обмен теплом прекращается, как только достигается тепловое равновесие между чашей и водой. Теплообмен можно записать как | Q горячий |= Q холодный .

Решение

Используйте уравнение теплопередачи Q mc Δ T  , чтобы выразить потери тепла алюминиевой кастрюлей через массу кастрюли, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру кастрюли и конечная температура: Q горячий = m Al c Al ( T f − 150ºC).

Выразите полученное водой тепло через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру: Q холод = m W c W ( T f  – 20,0ºC).

Обратите внимание, что Q горячая <0 и Q холодная >0 и что их сумма должна равняться нулю, потому что тепло, теряемое горячей кастрюлей, должно быть таким же, как тепло, приобретаемое холодной водой:

[латекс] \ begin {массив} {lll} Q _ {\ text {холодный}} + Q _ {\ text {горячий}} & = & 0 \\ Q _ {\ text {холодный}} & = & – Q _ {\ text {hot}}\\m_{\text{W}}c_{\text{W}}\left(T_{\text{f}}-20.{\circ}\text{C}\end{массив}\\[/латекс]

Обсуждение

Это типичная калориметрическая задача: два тела с разными температурами соприкасаются друг с другом и обмениваются теплом до тех пор, пока не будет достигнута общая температура. Почему конечная температура намного ближе к 20,0ºC, чем к 150ºC? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и, таким образом, претерпевает небольшое изменение температуры при заданной теплопередаче. Большому водоему, такому как озеро, требуется большое количество тепла, чтобы заметно повысить его температуру.Это объясняет, почему температура озера остается относительно постоянной в течение дня даже при больших изменениях температуры воздуха. Однако температура воды меняется в течение более длительного времени (например, с лета на зиму).

Эксперимент на вынос: изменение температуры земли и воды

Что нагревается быстрее, земля или вода?

Для изучения различий в теплоемкости:

  • Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две маленькие банки.(Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза выше, чем у воды, поэтому вы можете получить примерно равные массы, используя на 50% больше воды по объему.)
  • Нагревайте оба (используя духовку или нагревательную лампу) в течение одинакового времени.
  • Запишите конечную температуру двух масс.
  • Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая их в течение более длительного периода времени.
  • Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут.

Какой образец остывает быстрее? Эта деятельность воспроизводит явления, ответственные за наземные и морские бризы.

Проверьте свое понимание

Если для повышения температуры блока с 25°С до 30°С необходимо 25 кДж, то какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть блок с 45°С до 50°С?

Решение

Теплопередача зависит только от разницы температур. Так как разность температур одинакова в обоих случаях, то и во втором случае необходимы одни и те же 25 кДж.

Резюме раздела

  • Перенос теплоты Q  , приводящий к изменению Δ T  температуры тела массой m  равно Q = mc Δ 5 c 900 T
  • 1 , где материала. Это соотношение также можно рассматривать как определение удельной теплоемкости.

Концептуальные вопросы

  1. Какие три фактора влияют на теплопередачу, необходимую для изменения температуры объекта?
  2. Температура тормозов автомобиля повышается на Δ T  при остановке автомобиля со скорости v .Насколько больше было бы Δ T , если бы скорость автомобиля изначально была вдвое больше? Вы можете предположить, что автомобиль останавливается достаточно быстро, чтобы тепло от тормозов не отводилось.

Задачи и упражнения

  1. В жаркий день температура в бассейне объемом 80 000 литров повышается на 1,50ºC. Какова чистая теплопередача при этом нагреве? Игнорируйте любые осложнения, такие как потеря воды в результате испарения.
  2. Показать, что 1 кал/г · ºC = 1 ккал/кг · ºC.
  3. Для стерилизации 50.0-граммовую стеклянную детскую бутылочку, мы должны поднять ее температуру с 22,0ºC до 95,0ºC. Какая теплопередача требуется?
  4. Одинаковая передача тепла одинаковым массам различных веществ вызывает различные изменения температуры. Рассчитайте конечную температуру, когда 1,00 ккал теплоты переходит в 1,00 кг следующих веществ при исходной температуре 20,0ºC: (a) вода; (б) бетон; (в) сталь; и d) ртуть.
  5. Потирание рук согревает их, превращая работу в тепловую энергию. Если женщина потирает руки взад-вперед, всего 20 потираний, на расстоянии 7.50 см на трение и при средней силе трения 40,0 Н, каково повышение температуры? Масса согреваемых тканей составляет всего 0,100 кг, преимущественно в ладонях и пальцах.
  6. Блок чистого материала массой 0,250 кг нагревается с 20,0ºC до 65,0ºC за счет добавления 4,35 кДж энергии. Рассчитайте его удельную теплоемкость и определите вещество, из которого он, скорее всего, состоит.
  7. Предположим, что одинаковые количества тепла передаются разным массам меди и воды, вызывая одинаковые изменения температуры.Каково отношение массы меди к воде?
  8. (a) Количество килокалорий в пище определяется методами калориметрии, при которых пища сжигается и измеряется количество теплопередачи. Сколько килокалорий на грамм содержится в 5,00 г арахиса, если энергия его сжигания передается 0,500 кг воды, находящейся в алюминиевом стакане весом 0,100 кг, что вызывает повышение температуры на 54,9°С? (б) Сравните свой ответ с информацией на этикетке на упаковке арахиса и прокомментируйте, совпадают ли значения.
  9. После интенсивной физической нагрузки температура тела человека массой 80,0 кг составляет 40,0ºC. С какой скоростью в ваттах человек должен передать тепловую энергию, чтобы снизить температуру тела до 37,0ºC за 30,0 мин, если предположить, что тело продолжает производить энергию мощностью 150 Вт? 1 Вт = 1 Дж/сек или 1 Вт = 1 Дж/сек.
  10. Даже при остановке после периода нормальной эксплуатации большой коммерческий ядерный реактор передает тепловую энергию со скоростью 150 МВт за счет радиоактивного распада продуктов деления.Этот теплообмен вызывает быстрое повышение температуры в случае отказа системы охлаждения (1 Вт = 1 Дж/сек или 1 Вт = 1 Дж/сек и 1 МВт = 1 мегаватт). (a) Рассчитайте скорость повышения температуры в градусах Цельсия в секунду (ºC/с), если масса активной зоны реактора составляет 1,60 × 10 5 кг и средняя удельная теплоемкость составляет 0,3349 кДж/кг ⋅ ºC. (б) Сколько времени потребуется, чтобы получить повышение температуры на 2000ºC, что может привести к плавлению некоторых металлов, содержащих радиоактивные материалы? (Начальная скорость повышения температуры будет больше рассчитанной здесь, поскольку теплопередача сосредоточена в меньшей массе.Позже, однако, рост температуры замедлится, потому что стальная защитная оболочка размером 5 × 10 5 кг также начнет нагреваться.)

Рис. 3. Бассейн с радиоактивным отработавшим топливом на атомной электростанции. Отработавшее топливо долго остается горячим. (кредит: Министерство энергетики США)

Глоссарий

удельная теплоемкость:  количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1,00 кг вещества на 1,00 ºC

Избранные решения задач и упражнений

1.5,02 × 10 8 Дж

3. 3,07 × 10 3 Дж

5. 0,171ºC

7. 10.8

9. 617 Вт


Теплопроводность поможет вам лучше готовить

У вас сложилось впечатление, что теплопроводность не очень сильно влияет на вашу жизнь? В нашей серии статей о перспективах теплопроводности мы собираемся доказать, что вы ошибаетесь! Понимание того, как теплопроводность влияет на предметы, которые мы используем каждый день, может помочь нам извлечь из них максимальную пользу.В предыдущем посте обсуждалось, как знание разницы в теплопроводности различных тканей может помочь нам решить, какой тип одежды носить для определенных погодных условий и видов деятельности. Надеюсь, сегодняшний пост поможет вам лучше понять, как теплопроводность посуды, которую вы используете на кухне, влияет на приготовление пищи, и поможет вам в следующий раз, когда вы будете покупать новые кухонные принадлежности!

 

Рисунок 1.  Некоторые говорят, что приготовление пищи — это искусство, но здесь также задействовано много науки! 1

Передача тепла лежит в основе приготовления пищи, поэтому понятно, что теплопроводность играет большую роль в этом процессе.Оборудование, которое вы используете на кухне, отвечает за эту передачу, и его тепловые свойства могут как улучшить, так и испортить приготовление пищи. Когда мы думаем о материалах, которые используются на кухне, одними из первых на ум приходят металлы. Большинство кастрюль и сковородок сделаны из металла, так как он обладает замечательной способностью противостоять нагреву. Металлы также обладают высокой теплопроводностью по сравнению со многими другими материалами, однако теплопроводность металлов может существенно отличаться друг от друга.

Теплопроводность — это способность материала передавать тепло, поэтому металл с более высокой теплопроводностью будет нагреваться быстрее, чем металл с более низкой теплопроводностью. Эта характеристика востребована для кухонных принадлежностей, так как высокая теплопроводность означает, что тепло от печи будет достигать пищи, которую необходимо приготовить, быстрее. Высокая теплопроводность также обеспечивает более равномерную температуру на варочной поверхности, что помогает обеспечить равномерное приготовление всех продуктов.

Еда, которая пригорает в середине сковороды и остается сырой по краям, не только вызывает раздражение, но и приводит к пустой трате времени и денег! Высокая теплопроводность также означает, что температура сковороды будет изменяться быстрее, а это означает, что когда вы поворачиваете ручку на плите от средней высокой до средней низкой, сковорода с высокой теплопроводностью будет передавать это изменение температуры пище более эффективно, чем кастрюля с низкой теплопроводностью.

 

Рисунок 2 .На этой диаграмме показаны различные этапы проводимости, которые должны иметь место, чтобы тепло от верхней части плиты достигало приготовляемой пищи. 2

Теплопроводность кастрюли или сковороды также определяет, для чего ее можно использовать на кухне. Например, керамика невероятно популярна для использования в духовке, однако многие люди случайно треснули керамическую посуду, когда пытались использовать ее на плите. Это происходит потому, что керамика имеет низкую теплопроводность.Поскольку тепло передается через материал медленнее, возникает температурный градиент между невероятно горячей поверхностью напротив горелки и более холодной поверхностью на противоположной стороне. Если этот градиент становится слишком большим, керамика не выдерживает напряжения и просто трескается.

Как упоминалось выше, не все металлы одинаковы, когда дело доходит до приготовления пищи. В 1994 г. Gustavsson et al. измерил теплопроводность меди, алюминия и латуни с помощью системы теплопроводности TPS.Взгляните на таблицу ниже, чтобы увидеть большие различия в теплопроводности протестированных металлов. Основываясь на этой таблице, какие металлы, по вашему мнению, лучше всего подходят для приготовления пищи?

Медь и алюминий высоко ценятся для использования на кухне, однако есть один нюанс. Они оба являются активными металлами, когда речь идет о еде, а это означает, что они должны быть покрыты другим материалом, чтобы сделать их безопасными для повседневного использования. Вы когда-нибудь задумывались, почему более дорогая посуда из нержавеющей стали часто имеет медный или алюминиевый диск, встроенный в дно? Это должно дать вам высокую теплопроводность этого металла, а также предоставить вам безопасную и прочную поверхность для приготовления пищи.Нержавеющая сталь сама по себе имеет гораздо меньшую теплопроводность, а потому не будет обеспечивать такой же эффективный нагрев и равномерную температуру поверхности.

Таблица 1. Значения теплопроводности металлических образцов, полученные Gustavsson et al. (1994) с использованием системы теплопроводности TPS.

Образец металла Теплопроводность (Вт/мК)
Медь (4 мм) 382.1
Алюминий (4 мм) 174,6
Латунь (4 мм) 109,9

 

Компания Thermtest с радостью добавила на наш веб-сайт программу теплового моделирования , которую можно бесплатно загрузить и использовать для демонстрации того, как тепло проходит через различные материалы. Ниже приведены три изображения из моделирования, созданного для иллюстрации того, как кастрюли, изготовленные из каждого из металлов, указанных в таблице выше, будут реагировать на одинаковый уровень тепла на плите.Рисунок 3 — начало моделирования, все кастрюли имеют комнатную температуру и только что были помещены на горелку при температуре 100°C. Рисунок 4 был снят через несколько секунд после запуска и ясно показывает, как сковорода из меди достигла более высокой и более равномерной температуры, чем два других металла. На рис. 5 показано, как медь поддерживает более высокую температуру, чем два других металла, и как это приводит к тому, что курица нагревается до более высокой температуры, чем в двух других кастрюлях.

Рисунок 3 .Начало имитации нагрева с использованием кастрюль из меди, латуни и алюминия.

Рисунок 4 . Иллюстрация температуры трех кастрюль в течение нескольких секунд теплового моделирования. Медь нагревается быстрее, чем алюминий и латунь.

Рисунок 5 . Через несколько секунд моделирования медь поддерживает более высокую температуру и нагревает курицу более равномерно, чем два других металла.

Надеюсь, эта статья помогла вам лучше понять важную роль теплопроводности в приготовлении пищи.Использование кастрюль и сковородок, содержащих металл с высокой теплопроводностью, может значительно улучшить качество и облегчить приготовление пищи. В следующий раз, когда вы будете искать новые кухонные принадлежности, вы будете знать, на какие характеристики обращать внимание!

Чтобы узнать больше об исследованиях металлов, проведенных Gustavsson et al.  (1994 г.), нажмите здесь.

Тепловая масса – Energy Education

Рис. 1. Схема стены Тромба. Эта установка будет использовать тепловую массу на дальней правой стене для улавливания тепла. [1]

Термическая масса относится к материалу внутри здания, который может помочь уменьшить колебания температуры в течение дня; тем самым снижая потребность в отоплении и охлаждении самого здания. Материалы из термомассы достигают этого эффекта, поглощая тепло в периоды высокой солнечной инсоляции и выделяя тепло, когда окружающий воздух начинает остывать. При включении в технологии пассивного солнечного отопления и охлаждения тепловая масса может играть большую роль в снижении энергопотребления зданий.

Свойства тепловой массы

Идеальный материал для тепловой массы будет иметь:

Теплоемкость вещества – это количество тепловой энергии, необходимое для изменения температуры объекта на заданную величину. Единицей СИ для теплоемкости является Джоуль на Кельвин ( Дж/К ). Общее количество энергии, хранимой системой с тепловой массой, пропорционально размеру системы или материала, поэтому удельная теплоемкость ( Дж/м 2 К ), теплоемкость на единицу массы и объемная теплоемкость ( Дж/м 3 K ), теплоемкость на единицу объема, являются общими показателями, используемыми для определения хорошей теплоемкости материала.

Термомассовые материалы

Ниже приведена таблица общих строительных материалов, их теплоемкости, плотности и удельной теплоемкости. Как упоминалось ранее, хороший материал для термомассы должен иметь высокую объемную теплоемкость.

Избранная теплоемкость различных материалов [2]
Материал Теплоемкость ( Дж/К ) Плотность ( кг/м 3 ) Объемная тепловая мощность
Мощность ( МДж/м 3 K )
Вода 4.18 1000 4.18
Гипс 1,09 1602 1,746
Воздух 1.0035 1.204 0,0012
Бетон 0,88 2371 2,086
Кирпич 0,84 2301 2,018
Известняк 0,84 2611 2.193
Гранит 0,79 2691 2,125
Дерево 0,42 550 0,231

Вода обладает очень привлекательными свойствами теплоемкости и может быть привлекательным материалом для пассивных солнечных конструкций; однако потенциальные проблемы с утечкой воды и повреждением обходят его широкое использование в качестве теплоносителя. Бетон и кирпич имеют относительно высокую объемную теплоемкость и являются обычными строительными материалами.При правильном использовании с солнечной стеной или стеной тромба потребление энергии для отопления и охлаждения здания может быть значительно снижено.

Материалы с фазовым переходом

Традиционные термомассовые материалы используют ощутимое тепло для накопления и высвобождения пассивной энергии солнечного излучения. Материалы с фазовым переходом используют накопление скрытого тепла и могут поглощать такое же количество солнечной энергии, используя гораздо меньший объем материала. [3] При повышении температуры материал переходит из твердого состояния в жидкое, это эндотермическая реакция, поэтому он поглощает тепло.Когда окружающая среда охлаждается (ночью), материал превращается из жидкого в твердое, происходит экзотермическая реакция, высвобождающая аккумулированное тепло в здание. Использование материалов с фазовым переходом является относительно новой концепцией в строительной науке, существует множество различных материалов, используемых для самых разных применений.

Термическая масса и климат

В теплых погодных условиях термальная масса может поглощать тепло, полученное от солнечного света. Это сделает внутреннее пространство более комфортным и значительно снизит потребности в охлаждении и затраты на кондиционирование воздуха.Ночью, когда здание охлаждается, накопленная тепловая энергия высвобождается во внутреннее пространство здания, уменьшая потребность в отоплении. Тепловая масса наиболее полезна в климате, где есть большие колебания между дневной и ночной температурой окружающей среды. В районах с высокими ночными температурами все еще можно использовать тепловую массу, поэтому здание необходимо проветривать ночью более прохладным ночным воздухом, чтобы отводить накопленную тепловую энергию. [4]

Каталожные номера

  1. ↑ Викисклад.(6 августа 2015 г.). Стена Тромба [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Illust_passive_solar_d2_319pxW.gif
  2. ↑ Строить Зеленую Канаду. (28 августа 2015 г.). Объяснение тепловой массы [Online]. Доступно: http://www.buildgreen.ca/2008/09/an-explanation-of-thermal-mass/
  3. ↑ Ф. Кузник, Д. Дэвид, К. Йоханнес и Ж.-Ж. Ру, «Обзор материалов с фазовым переходом, интегрированных в стены зданий», Renew. Поддерживать. Энергия преп., том. 15, нет. 1, стр. 379–391, январь 2011 г.
  4. ↑ Г. П. Хенце, Т. Х. Ле, А. Р. Флорита и К. Фельсманн, «Анализ чувствительности оптимального управления тепловой массой здания», J. Sol. Инженер по энергетике, вып. 129, нет. 4, с. 473, 2007. 129, вып. 4, с. 473, 2007.

Таблица удельной теплоемкости жидкостей – JPC France

Жидкости Удельная теплоемкость (c p ) Плотность (ρ)
СИ Британский/США Метрическая СИ Британский/США
кДж/(кг o С) o
БТЕ/(фунт м  F)
ккал/(кг o С) кг/м3 фунт/фут3
Уксусная кислота 2.18 0,51 0,51 1048 65,4
Спирт этиловый, 95% при 0  –  C (32  –  F) (этанол) 2,3 0,55 0,55 807 50,4
Аммиак, @ 40 o C (104 o F) 4,86 ​​ 1,16 1,16 767 47,9
Теплоноситель Dowtherm @ 50 o C (120F) 1.55 0,37 0,37 944 58,9
Этиленгликоль 25% по объему/вода, при 70 o C (160F) 3,93 3,93  0,94 0,94 1018 63,5
Этиленгликоль 30% по объему/вода, при 70 o C (160F) 3,87 0,925 0,925 1025 64,0
Этиленгликоль 40% по объему/вода, при 70 o C (160F) 3.73 0,89 0,89 1038 64,8
Этиленгликоль/вода, 50 % по объему при 70 o C (160F) 3,56 0,85 0,85 1050 65,5
Этиленгликоль, чистый 2,36 0,56 0,56 1120 69,9
Фреон R-12 насыщенный при 50 o C (120F) 1.02 0,244 0,244 1310 81,8
Мазут мин. 1,67 0,4 0,4 809 50,5
Мазут макс. 2,09 0,5 0,5 944 58,9
Бензин 2,22 0,53 0,53 673 42,0
Глицерин 2.43 0,58 0,58 1261 78,7
Керосин 2.01 0,48 0,48 809 50,5
Молоко 3,93 0,94 0,94 1028 64,2
Масло растительное 1,67 0,4 0,4 921 57,5 ​​
Оливковое масло 1.97 0,47 0,47 929 58,0
Парафин 2,13 0,51 0,51 897 56,0
Соевое масло 1,97 0,47 0,47 920 57,4
Вода пресная 4,19 1 1 1000 62,4
Вода морская @ 2 o C (36 o F) 3.93 0,94 0,94 1028 64,2

Волокнистые системы с несколькими шкалами Отопление

Определение

В последнее время были разработаны различные типы систем отопления, представляющие растущий интерес как в академическом, так и в промышленном секторах.На основе эффекта Джоуля волокнистые структуры могут выделять тепло при пропускании электрического тока, в связи с чем применялись различные подходы. Для этой цели были исследованы материалы с электро- и теплопроводностью, такие как наноматериалы на основе углерода, металлические наноструктуры, полимеры с собственной проводимостью, волокна или гибриды.

1. Введение

Технологии нагрева в последнее время тщательно изучаются для различных применений, от умного текстиля / носимых устройств и термотерапии до приложений для размораживания / удаления запотевания.Отопление считается пассивным, когда оно зависит от светового излучения солнечной энергии. Как рассматривалось ранее [1] , в фототермическом нагреве используются неорганические наноматериалы, полупроводниковые полимеры или керамика для выделения поглощенной энергии в виде тепла. Напротив, активные нагреватели могут быть разработаны с использованием проводящих материалов, основанных на джоулевом нагреве при приложении низких напряжений. Они могут производиться в различных конфигурациях, от тонкопленочных нагревателей до обогревающих тканей, и от нано- до макромасштаба ().

Рисунок 1. Схематическая диаграмма многомасштабных подходов к технологиям отопления.

Во всех технологиях используются одни и те же проводящие материалы. Помимо металлов и оксидов металлов, очень многообещающими являются металлические наноструктуры, материалы на основе углерода и проводящие полимеры, которые использовались в нескольких исследованиях. На протяжении многих лет изучались различные методы улучшения тепло- и/или электропроводности материалов, включая добавление наполнителей к полимерной матрице.Эти наполнители могут быть в виде волокон, частиц или хлопьев, однородно распределенных внутри полимерной матрицы [2] .

2. Искропроводящие материалы

2.1. Углеродные наноматериалы
Несмотря на то, что они относительно недавние, существует множество исследований по использованию углеродных наноматериалов для практических приложений благодаря их электрическим, оптическим и термическим свойствам. В частности, графен и углеродные нанотрубки использовались в теплотехнике благодаря их высокой теплопроводности (см. ) [3] .Это два аллотропа углерода с sp 2 -гибридизированными атомами углерода, но с разной структурой. Ду и др. опубликовал подробный обзор, объясняющий основы графена и углеродных нанотрубок (УНТ) [4] , в дополнение к их применению на прозрачных проводящих пленках для оптоэлектронных устройств.

Таблица 1. Теплопроводность обычно используемых материалов.

Материалы Категория Теплопроводность
(Вт·м −1 K −1 )
Арт.
Углеродное волокно На основе углерода 400–650 [5]
Углеродные нанотрубки На основе углерода 3000 [5]
Графит На основе углерода 100–400 [6]
Графеновые нанопластинки На основе углерода 2000–6000 [7]
Листы графена На основе углерода ~5000 [8]
Одностенные углеродные нанотрубки На основе углерода 2000 [8]
Многослойные углеродные нанотрубки На основе углерода 3000 [8]
Алюминий Металл 247 [9]
Медь Металл 398 [9]
Золото Металл 315 [9]
Серебро Металл 427 [9]
Серебряные нанопроволоки Металлическая наноструктура 191.5 [10]
Полиацетилен Проводящий полимер 0,4–13 [11]
Полипиррол (PPy) Проводящий полимер 0,11–0,25 [11]
Полианилин (ПАни) Проводящий полимер 0,04–0,14 [11]
Политиофен Проводящий полимер 0.2–4,4 [11]
Поли(3,4-этилендиокситиофен): полистиролсульфонат (PEDOT:PSS) Проводящий полимер 0,16–0,39 [11]
Алмаз Керамика 1000 [12]
Нитрид алюминия Керамика 100–300 [7]
Оксид бериллия Керамика 230–330 [13]
Кубический нитрид бора Керамика 1000 [14]
Нитрид бора гексагональный Керамика 300 [14]
Карбид кремния Керамика 120 [15]
Оксид алюминия (α-оксид алюминия) Керамика 30 [12]
Недавно обнаруженный графен представляет собой двумерный лист атомов углерода, расположенных в виде сотовой решетки.Среди аллотропов углерода графен обладает самой высокой теплопроводностью (около 5000 Вт · м -1 К -1 для однослойного графена при комнатной температуре). Считается, что из-за его уникальной химической структуры с плотным расположением атомов углерода теплопроводность графена происходит посредством фононных волн [16] . Это объясняет, почему его теплопроводность является одной из самых высоких среди всех материалов (), в дополнение к тому факту, что он также имеет сверхвысокую удельную поверхность.Графеновые нанопластинки (ЗНЧ) представляют собой короткие стопки графеновых листов пластинчатой ​​формы. В зависимости от метода изготовления ЗНЧ могут различаться по размеру и толщине, и, следовательно, тепло- и электропроводность могут значительно различаться. В свою очередь, многослойный графен образует 3D-графит, широко распространенный в природе. Атомы связаны ковалентными связями, расстояние между связями примерно 0,412 нм и расстояние между слоями примерно 0,335 нм [17] .Его конфигурация sp 2 объясняет его высокую плоскую теплопроводность [7] . Он может быть модифицирован в различные формы, а именно в расширенный графит (ЭГ), графитовые нанопластинки и графитовые чешуйки (ГФ), которые легко диспергируются в полимерах [17] . ЭГ представляет собой легкую и червеобразную структуру толщиной от 100 до 400 нм, образующуюся при кратковременном кратковременном воздействии на интеркалированные графитом соединения резким повышением температуры. Отшелушивание ЭГ с помощью ультразвука приведет к образованию графитовых нанопластинок, которые состоят из стопок графитовых слоев.Толщина графитовых нанопластинок составляет менее 10 нм, а диаметр находится в диапазоне от субмикрона до приблизительно 15 мкм [18] . Однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ) имеют цилиндрическую наноструктуру, образованную свернутым графеном. Они оказались многообещающими для приложений управления температурой, при этом значения теплопроводности зависят от многих факторов. Поп и его коллеги разработали теоретическое исследование отдельных SWCNT, сообщив о теплопроводности около 3500 Wm -1 K -1 при комнатной температуре [19] .
2.2. Наноматериалы на металлической основе
Такие металлы, как алюминий, медь, золото, серебро и другие, являются очевидными материалами для нагрева из-за их высокой электрической и теплопроводности (). Среди всех металлов серебро обладает самой высокой электропроводностью (6,3 × 10 7 См -1 ) и теплопроводностью (427 Вт м -1 К -1 ) при комнатной температуре. Медь следует за серебром по свойствам, но менее стабильна на воздухе. В свою очередь, стоимость серебра ниже, чем у золота и платины.В последнее время разработка металлических наноструктур привлекла множество исследователей как способ манипулирования фотонами и электронами и производства прозрачных электродов для оптоэлектронных устройств, что будет рассмотрено далее в этом обзоре. Основными наноструктурами на основе металлов являются металлические сетки, металлические сетки и металлические нанопроволоки. Несмотря на то, что различие между металлическими сетками и сетками в литературе иногда сбивает с толку, мы считаем, что металлические сетки не представляют собой организованного проводящего направления, в то время как металлические сетки представляют собой периодическое расположение линий.Наночастицы металлов обладают уникальными свойствами, в основном из-за их размеров и, как следствие, большого соотношения атомов на поверхности частиц. В отличие от металлических наночастиц, металлические нановолокна или металлические нанопроволоки представляют собой удлиненные структуры, которые способствуют прохождению электрического тока. По этой причине они широко исследовались в качестве сетевых электродов для оптоэлектронных устройств со строго контролируемыми электрическими и оптическими свойствами. Медные нановолокна обеспечивают примерно на 2–3 порядка более высокое соотношение сторон, чем другие одномерные наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки или серебряные нанопроволоки.Серебряные нанопроволоки были наиболее изученными наноматериалами, а медные нанопроволоки появились в качестве альтернативы. Некоторые определяющие аспекты, такие как их диспергирующие агенты, геометрия проволоки и соотношение сторон, были полностью изучены и рассмотрены в течение [20] лет. Соединения между проводами в сети имеют решающее значение для путей проводимости, при этом хорошо спеченное соединение приводит к более низкому электрическому сопротивлению соединения. Это приводит к общему более низкому электрическому сопротивлению и улучшенным электрическим и механическим свойствам.Теплопроводность серебряных нанопроволок при комнатной температуре была снижена на 55% по сравнению с объемным серебром (см. ). Ченг и др. использовали единый метод теплового сопротивления для выяснения механизма рассеяния электронов объемными и серебряными наноструктурами [10] . В объемном серебре фононное рассеяние преобладает над переносом электронов с редкими структурными рассеяниями, в то время как в металлических наноструктурах присутствует зернограничное и поверхностное рассеяние. Эти рассеяния ограничивают свободный пробег электронов, что способствует снижению тепло- и электропроводности.
2.3. Внутреннепроводящие полимеры
Документально подтверждено, что широкий спектр доступных полимеров обладает значительной электропроводностью при добавлении легирующих примесей. Сюда входят, среди прочего, полиацетилен, полипиррол, полианилин и политиофен. После того, как полиацетилен перестали использовать в коммерческих целях из-за нестабильности на воздухе, полианилин и политиофен стали наиболее перспективными как для исследований, так и для промышленности не только из-за их стабильности, но и из-за их способности растворяться в обычных растворителях.Проводящие полимеры привлекли большое внимание благодаря своим преимуществам, таким как возможность вторичной переработки, малый вес, низкая стоимость, химическая стабильность и простота обработки [11] . В частности, их технологичность в растворе делает полимеры с собственной проводимостью очень привлекательными для гибких электронных устройств. Тот факт, что молекулярная структура полимера может быть настроена для управления электрическими и механическими свойствами полученного материала, также является многообещающим. Соотношение электропроводности и теплопроводности в проводящих полимерах сильно отличается от такового в металлах, поскольку электроны не являются носителями ни электрического, ни теплового тока [11] .В отличие от электроизоляционных полимеров, теплопроводность в проводящих полимерах осуществляется за счет фононов и носителей заряда. Что касается изоляционных полимеров, то теплопроводность в проводящем полимере сильно зависит от множества факторов, таких как дефекты или структурные дефекты, его химические компоненты, молекулярная масса боковых групп, распределение молекулярной плотности, температура, условия обработки и др. [21] . Наличие дефектов в полимерах может вызывать рассеяние фононов на границе раздела аморфного и кристаллического состояний, что приводит к низкой теплопроводности [16] .Таким образом, низкая теплопроводность () электропроводящих полимеров объясняется теми же причинами, на которые указывалось выше. Существует несколько внутренне проводящих полимеров с балансом между кристалличностью и низким содержанием изоляции, которые можно использовать в качестве проводящих тонких пленок или в качестве проводящих наполнителей в нанокомпозитах [22] . Однако расчет теплопроводности – непростая задача, как и для кристаллических материалов, так как она зависит от нескольких структурных факторов, таких как тип и размер наполнителей, конформация полимерных цепей и структура цепей [11] .Политиофеновые материалы, а именно поли(3,4-этилендиокситиофен (PEDOT), легированный водным полистиролсульфонатом (PSS) (PEDOT:PSS), оказались одним из наиболее многообещающих полимеров с собственной проводимостью. Он демонстрирует самую высокую проводимость среди полимеров, обработанных в растворе . [23] , которое, как сообщается, увеличивается с 0,8 см3 -1 до 80 см3 -1 в присутствии растворителя ДМСО [24] . Действительно, было опубликовано несколько исследований по различным методам повышения электропроводность PEDOT:PSS [24] [25] , включая органический растворитель, поверхностно-активное вещество, обработку раствором соли и другие.Romasanta и его коллеги сообщили о микрожидкостном методе добавления вторичной жидкой легирующей примеси для локального изменения пленок PEDOT:PSS, повышая электропроводность в определенной области, чтобы воспользоваться локальным эффектом Джоуля [26] .
2.4. Гибридные наноматериалы
Гибридные наноматериалы синергетически сочетают в себе материалы разной природы, такие как органические и неорганические. Это могут быть весьма перспективные структуры, сохраняющие полезные свойства как неорганических наночастиц, так и полимеров, т.е.г., [27] . Кроме того, можно производить многофункциональные гибридные наноматериалы с возможностью настройки их свойств за счет комбинации функциональных компонентов [28] .

3. Волокнистые системы

Проводящие волокна в основном использовались для проведения электричества и обеспечения нагрева за счет эффекта Джоуля, а также для обнаружения и обеспечения свойств противомикробного и электромагнитного экранирования (EMS).

Углеродные волокна имеют диаметр 5–10 мкм и состоят из атомов углерода, связанных друг с другом в длинную цепь.Они используются в аэрокосмической и автомобильной промышленности, среди прочего, из-за их высокой жесткости, прочности на растяжение, химической стойкости и термостойкости. Фактически, они имеют высокое отношение прочности к весу и высокое отношение модуля к весу. В дополнение к их большой теплопроводности (1), они также обладают большой электропроводностью (>3300 См/см) [5] . Несмотря на то, что они относятся к категории материалов на основе углерода в России, они являются микроматериалами.Помимо обеспечения прочности и жесткости композитов, эти углеродные волокна также привносят новые функциональные возможности, такие как тепло- и электропроводность, основанные на их внутренних свойствах. Наиболее распространенными типами углеродных волокон являются полиакрилонитрил (ПАН) и пековое углеродное волокно [29] . УВ на основе пека имеют теплопроводность около 1000 Вт·м -1 К -1 [30] , что намного выше, чем у ПАН (8–12 Вт м -1 К -1 ). [31] .Металлические волокна представляют собой изготовленные волокна, состоящие из металлов, либо металла с пластиковым покрытием, пластика с металлическим покрытием, либо сердцевины, полностью покрытой металлом. Цельные металлические нити изготавливаются путем непрерывной термической обработки металлической проволоки с последующей вытяжкой [32] . С 1968 года метод Андервуда по производству металлической пряжи путем прядения пучка металлических волокон применялся [33] . Для этого твердая масса металла измельчается для получения удлиненных нитей с шероховатой или зазубренной поверхностью.Волокна из нержавеющей стали можно использовать для производства тонкой пряжи из нержавеющей стали, пригодной для вязания или ткачества и в основном используемой в различных системах отопления.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.