Зависимость теплопроводности воздуха от температуры

От чего зависит теплопроводность?

Итак, как мы уже убедились, коэффициент теплопроводности λ (лямбда) характеризует интенсивность теплопередачи через конкретный материал.

Так, например, наиболее теплопроводными являются металлы, а самыми слабыми — газы. Еще все проводники электричества, такие как медь, алюминий, золото или серебро, также хорошо пропускают через себя тепло, в то время как электрические изоляторы (дерево, пластик, резина) наоборот задерживают его.

Что может повлиять на этот показатель, кроме самого материала? Например, температура. Теплопроводность изоляционных материалов увеличивается с повышением температуры, а у металлов — напротив, уменьшается. Еще может повлиять наличие примесей. Сплавы разнородных металлов обычно имеют более низкую теплопроводность, чем их легирующие элементы.

В целом, теплопроводность веществ зависит, в основном, от их структуры, пористости, и прежде всего от их плотности. Поэтому, если производитель заявляет о низком значении лямбда при низкой плотности материала, — эта информация, как правило, не имеет ничего общего с действительностью и просто рекламный ход.

Что влияет на способность пенополистирола проводить тепло

Чтобы наглядно понять, что такое теплопроводность, возьмем кусок материала метровой толщины и площадью один квадратный метр. Причем одну его сторону нагреваем, а вторую оставляем холодной. Разница этих температур должна быть десятикратной. Измерив количество теплоты, которое за одну секунду переходит на холодную сторону, получаем коэффициент теплопроводности.

Отчего же именно пенополистирол способен хорошо сохранять как тепло, так и холод? Оказывается, всё дело в его строении. Конструктивно данный материал состоит из множества герметичных многогранных ячеек, имеющих размер от 2 до 8 миллиметров. Внутри у них находится воздух – он составляет 98 процентов и служит великолепным теплоизолятором. На полистирол приходится 2% от объёма.А по массе полистирол составляет 100%, т.к. воздух, условно говоря, не имеет массы.

Надо заметить, что теплопроводность экструдированного пенополистирола остается неизменной по прошествии времени. Это выгодно отличает данный материал от других пенопластов, ячейки которых наполнены не воздухом, а иным газом. Ведь этот газ обладает способностью постепенно улетучиваться, а воздух так и остается внутри герметичных пенополистирольных ячеек.

Покупая пенопласт, мы обычно спрашиваем продавца о том, каково значение плотности данного материала. Ведь мы привыкли, что плотность и способность проводить тепло неразрывно связаны друг с другом. Существуют даже таблицы этой зависимости, с помощью которых можно выбрать подходящую марку утеплителя.

Однако в нынешнее время придумали улучшенный утеплитель, в который введены графитовые добавки. Благодаря им коэффициент теплопроводности пенополистирола различной плотности остается неизменным. Его значение – от 0,03 до 0,033 ватта на метр на Кельвин. Так что теперь, приобретая современный улучшенный ЭППС, нет надобности проверять его плотность. 

Маркировка пенополистирола теплопроводность которого не зависит от плотности:

Если задумано индивидуальное строительство

При возведении дома важно учитывать технические характеристики всех составляющих (материала для стен, кладочного раствора, будущего утепления, гидроизоляционных и пароотводящих плёнок, финишной отделки). Для понимания, какие стены наилучшим образом будут сохранять тепло, нужно проанализировать коэффициент теплопроводности не только материала для стен, но и строительного раствора, что видно из таблицы ниже:

Для понимания, какие стены наилучшим образом будут сохранять тепло, нужно проанализировать коэффициент теплопроводности не только материала для стен, но и строительного раствора, что видно из таблицы ниже:

Для понимания, какие стены наилучшим образом будут сохранять тепло, нужно проанализировать коэффициент теплопроводности не только материала для стен, но и строительного раствора, что видно из таблицы ниже:

Важно. Из приведённых в таблице данных видно, что у каждого строительного материала довольно большой разброс в показателях коэффициента теплопроводности

Это связано с несколькими причинами:

• Плотность. Все утеплители выпускаются или укладываются (пеноизол, эковата) различной плотности. Чем ниже плотность (больше присутствует воздуха в теплоизоляционной структуре), тем ниже проводимость тепла. И, наоборот, у очень плотных утеплителей этот коэффициент выше.
• Вещество, из которого производят (основа). Например, кирпич бывает силикатным, керамическим, глиняным. От этого зависит и коэффициент теплопроводности.
• Количество пустот. Это касается кирпича (пустотелый и полнотелый) и теплоизоляции. Воздух – самый худший проводник тепла. Коэффициент его теплопроводимости – 0,026. Чем больше пустот, тем ниже этот показатель.

Строительный раствор хорошо проводит тепло, поэтому любые стены рекомендуется утеплять.

Плотность воздуха в зависимости от температуры

Представлена подробная таблица значений плотности воздуха в сухом состоянии при различных температурах и нормальном атмосферном давлении. Чему равна плотность воздуха? Аналитически определить плотность воздуха можно, если разделить его массу на объем, который он занимает при заданных условиях (давление, температура и влажность). Также можно вычислить его плотность по формуле уравнения состояния идеального газа. Для этого необходимо знать абсолютное давление и температуру воздуха, а также его газовую постоянную и молярный объем. Это уравнение позволяет вычислить плотность воздуха в сухом состоянии.

На практике, чтобы узнать какова плотность воздуха при различных температурах, удобно воспользоваться готовыми таблицами. Например, приведенной таблицей значений плотности атмосферного воздуха в зависимости от его температуры. Плотность воздуха в таблице выражена в килограммах на кубический метр и дана в интервале температуры от минус 50 до 1200 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении (101325 Па).

При 25°С воздух имеет плотность 1,185 кг/м 3 . При нагревании плотность воздуха снижается — воздух расширяется (его удельный объем увеличивается). С ростом температуры, например до 1200°С, достигается очень низкая плотность воздуха, равная 0,239 кг/м 3 , что в 5 раз меньше ее значения при комнатной температуре. В общем случае, снижение плотности газов при нагреве позволяет проходить такому процессу, как естественная конвекция и применяется, например, в воздухоплавании.

Если сравнить плотность воздуха относительно плотности воды, то воздух легче на три порядка — при температуре 4°С плотность воды равна 1000 кг/м 3 , а плотность воздуха составляет 1,27 кг/м 3 . Необходимо также отметить значение плотности воздуха при нормальных условиях. Нормальными условиями для газов являются такие, при которых их температура равна 0°С, а давление равно нормальному атмосферному. Таким образом, согласно таблице, плотность воздуха при нормальных условиях (при НУ) равна 1,293 кг/м 3 .

Основные характеристики утеплителей

Предоставим для начала характеристики наиболее популярных теплоизоляционных материалов, на которые в первую очередь стоит обратить свое внимание при выборе. Сравнение утеплителей по теплопроводности следует производить только на основе назначения материалов и условий в помещении (влажность, наличие открытого огня и т.д.). Мы расположили далее в порядке значимости основные характеристики утеплителей

Мы расположили далее в порядке значимости основные характеристики утеплителей.

Сравнение строительных материалов

Теплопроводность. Чем ниже данный показатель, тем меньше требуется слой теплоизоляции, а значит, сократятся и расходы на утепление.

Влагопроницаемость. Меньшая проницаемость материала парами влаги снижает при эксплуатации негативное воздействие на утеплитель.

Пожаробезопасность. Теплоизоляция не должна гореть и выделять ядовитые газы, особенно при утеплении котельной или печной трубы.

Долговечность. Чем больше срок эксплуатации, тем дешевле он вам обойдется при эксплуатации, так как не потребует частой замены.

Экологичность. Материал должен быть безопасным для человека и окружающей природы.

Третий лишний

Вспомним одну старую задачку. Есть автобус, трамвай, троллейбус. Что здесь лишнее?

Лишний автобус, так как он работает на бензине, а не на электричестве, как трамвай и троллейбус. А можно считать лишним трамвай, потому что его колёса не «обуты» в резиновые шины.

А теперь новая задача. Из трёх словосочетаний: тёплый осенний день, тёплое море, тёплая одежда — какое лишнее?

Мы называем день или море тёплыми, если у них соответствующая температура. Называя пальто или куртку тёплой, мы никак не связываем это качество одежды с её температурой как материального предмета. Следовательно, лишняя здесь тёплая одежда.

Называть одежду тёплой позволяет некоторая её физическая характеристика, о которой и расскажем.

Коэффициент теплопроводности материалов.

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

Факторы, влияющие на величину теплопроводности

Теплопроводность материалов, используемых в строительстве, зависит от их параметров:

В начале измерения принимается начальное стационарное состояние температуры. Измерительный датчик и образец образуют две полубесконечные области. Линейная часть кривой параметризуется используемой емкостью плоского источника и теплоизоляционными свойствами обоих смежных полупространств.

В общем случае расчет значения теплопроводности может быть выражен уравнением. Во время практических измерений результаты измерений на эталонных материалах были применены для выбора оптимального интервала измерения и оптимальной выходной мощности источника тепла в отношении максимизации результатов измерений точно и воспроизводимости.

1. Пористость – наличие пор в структуре материала нарушает его однородность. При прохождении теплового потока часть энергии передается через объем, занятый порами и заполненный воздухом. Принято за отсчетную точку принимать теплопроводность сухого воздуха (0,02 Вт/(м*°С)). Соответственно, чем больший объем будет занят воздушными порами, тем меньше будет теплопроводность материала.
2. Структура пор – малый размер пор и их замкнутый характер способствуют снижению скорости теплового потока. В случае использования материалов с крупными сообщающимися порами в дополнение к теплопроводности в процессе переноса тепла будут участвовать процессы передачи тепла конвекцией.
3. Плотность – при больших значениях частицы более тесно взаимодействуют друг с другом и в большей степени способствуют передаче тепловой энергии. В общем случае значения теплопроводности материала в зависимости от его плотности определяются либо на основе справочных данных, либо эмпирически.
4. Влажность – значение теплопроводности для воды составляет (0,6 Вт/(м*°С)). При намокании стеновых конструкций или утеплителя происходит вытеснение сухого воздуха из пор и замещение его каплями жидкости или насыщенным влажным воздухом. Теплопроводность в этом случае значительно увеличится.
5. Влияние температуры на теплопроводность материала отражается через формулу:

λ=λо*(1+b*t), (1)

Определение коэффициента теплопроводности строительных материалов с использованием нестационарного плоского измерительного оборудования. Нестационарное плоское измерительное оборудование благодаря своей конструкции обладает многими выгодными свойствами. В этом аппарате можно легко и быстро измерить значение коэффициента теплопроводности в случае любого строительного материала.

Само измерение длится всего несколько секунд, и поэтому можно определить значение коэффициента теплопроводности в зависимости от влажности испытуемого образца. Плоский датчик обеспечивает возможность определения коэффициента теплопроводности значительно неоднородных материалов. Требования, касающиеся размера выборки, по сравнению с другими методами существенно меньше. По этим причинам можно определить коэффициент теплопроводности даже в части строительных изделий, поскольку со стандартными образцами тепловые технические свойства могут сильно отличаться от свойств конечных продуктов. Точность измерения. Как и в случае любого метода измерения, даже в случае нестационарного плоского измерительного прибора наибольшая ошибка исходит из тестового образца. Если поверхность испытываемого образца неравномерна.

• Скорость измерения.
• В отличие от классических методов этот метод несравненно быстрее.
• Гибкость измерений.

Измерительное устройство может благодаря своим благоприятным свойствам применяться для определения измерения коэффициента теплопроводности в большом разнообразии материалов и изделий, например.

где, λо – коэффициент теплопроводности при температуре 0 °С, Вт/м*°С;

b – справочная величина температурного коэффициента;

t – температура.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

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

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

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

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

Температура материала

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

Как определить теплопотери

Главные элементы здания, через которые уходит тепло:

• двери (5-20%);
• пол (10-20%);
• крыша (15-25%);
• стены (15-35%);
• окна (5-15%).

Уровень теплопотери определяется с помощью тепловизора. О самых трудных участках говорит красный цвет, о меньших потерях тепла скажет желтый и зеленый. Зоны, где потери наименьшие, выделяются синим. Значение теплопроводности определяется в лабораторных условиях, и материалу выдается сертификат качества.

Значение проводимости тепла зависит от таких параметров:

1. Пористость. Поры говорят о неоднородности структуры. Когда через них проходит тепло, охлаждение будет минимальным.
2. Влажность. Высокий уровень влажности провоцирует вытеснение сухого воздуха капельками жидкости из пор, из-за чего значение увеличивается многократно.
3. Плотность. Большая плотность способствует более активному взаимодействию частиц. В итоге теплообмен и уравновешивание температур протекает быстрее.

Теплопроводность воздуха

Воздух представляет собой смесь газов в различных пропорциях, каждый из которых обладает собственными теплофизическими характеристиками. Для удобства в расчётах вместо воздуха как смеси используют его модель как однородного газа. Основные газообразные компоненты воздуха:

• кислород — 20,95% по объёму и 23,20% по весу;
• азот — 78,09% и 75,47%, соответственно;
• углекислый газ — 0,03% и 0,046%;
• водород, аргон, криптон и другие газы в ничтожных количествах.

Изменение теплопроводности смеси атмосферных газов — сложный процесс, зависящий от многих физических явлений, например, от влажности. Поэтому коэффициент теплопроводности воздуха при различных температурах — не расчётная величина, а усреднённый результат многочисленных экспериментов. Следует отметить, что для атмосферных колебаний давления изменениями λ можно пренебречь. Таблица коэффициентов теплопроводности воздуха в зависимости от значений температуры выглядит так:

Эти данные точны для сухого газообразного воздуха в состоянии покоя при атмосферном давлении 1 бар при идеальных пропорциях составляющих его газов. На практике отклонения от табличных значений могут быть вызваны самыми разнообразными факторами.

Например, наличие промышленных производств, выбрасывающих в атмосферу огромное количество химических и биологических микрочастиц (альдегиды, аммиак, оксиды, тяжёлые металлы), приводит к значительным загрязнениям атмосферы, а подобные примеси в больших количествах способны не только локально изменить теплопроводность воздуха, но и повлиять на глобальный теплообмен в атмосфере.