Таблица теплопроводности материалов и утеплителей: Теплопроводность утеплителей таблица

Толщина утеплителя, сравнение теплопроводности материалов ГК ВЕРИ

Необходимость использования Систем утепления WDVS вызвана высокой экономической эффективностью.

Вслед за странами Европы, в Российской Федерации приняли новые нормы теплового сопротивления ограждающих и несущих конструкций, направленные на снижение эксплуатационных расходов и энергосбережение.

С выходом СНиП II-3-79*, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» прежние нормы теплового сопротивления устарели. Новыми нормами предусмотрено резкое возрастание требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.
Теперь прежде использовавшиеся подходы в строительстве не соответствуют новым нормативным документам, необходимо менять принципы проектирования и строительства, внедрять современные технологии.

Как показали расчёты, однослойные конструкции экономически не отвечают принятым новым нормам строительной теплотехники. К примеру, в случае использования высокой несущей способности железобетона или кирпичной кладки, для того, чтобы этим же материалом выдержать нормы теплового сопротивления, толщину стен необходимо увеличить соответственно до 6 и 2,3 метров, что противоречит здравому смыслу. Если же использовать материалы с лучшими показателями по тепловому сопротивлению, то их несущая способность сильно ограничена, к примеру, как у газобетона и керамзитобетона, а пенополистирол и минвата, эффективные утеплители, вообще не являются конструкционными материалами.

На данный момент нет абсолютного строительного материала, у которого бы была высокая несущая способность в сочетании с высоким коэффициентом теплового сопротивления.

Чтобы отвечать всем нормам строительства и энергосбережения необходимо здание строить по принципу многослойных конструкций, где одна часть будет выполнять несущую функцию, вторая — тепловую защиту здания. В таком случае толщина стен остаётся разумной, соблюдается нормированное тепловое сопротивление стен.

Системы WDVS по своим теплотехническим показателям являются самыми оптимальными из всех представленных на рынке фасадных систем.
Таблица необходимой толщины утеплителя для выполнения требований действующих норм по тепловому сопротивлению:

Таблица, где:

1 — географическая точка
2 — средняя температура отопительного периода
3 — продолжительность отопительного периода в сутках
4 — градусо-сутки отопительного периода Dd, °С * сут
5 — нормируемое значение сопротивления теплопередаче Rreq, м2*°С/Вт стен
6 — требуемая толщина утеплителя

Условия выполнения расчётов для таблицы:

1. Расчёт основывается на требованиях СНиП 23-02-2003
2. За пример расчёта взята группа зданий 1 — Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты, гостиницы и общежития.
3. За несущую стену в таблице принимается кирпичная кладка толщиной 510 мм из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе l = 0,76 Вт/(м * °С)
4. Коэффициент теплопроводности берётся для зон А.
5. Расчётная температура внутреннего воздуха помещения + 21 °С «жилая комната в холодный период года» (ГОСТ 30494-96)
6. Rreq рассчитано по формуле Rreq=aDd+b для данного географического места
7. Расчёт:

Формула расчёта общего сопротивления теплопередаче многослойных ограждений:

R0= Rв + Rв.п + Rн.к + Rо.к + Rн
Rв — сопротивление теплообмену у внутренней поверхности конструкции
Rн — сопротивление теплообмену у наружной поверхности конструкции
Rв.п — сопротивление теплопроводности воздушной прослойки (20 мм)
Rн.к — сопротивление теплопроводности несущей конструкции
Rо. к — сопротивление теплопроводности ограждающей конструкции
R = d/l
d — толщина однородного материала в м,
l — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м * °С)
R0 = 0,115 + 0,02/7,3 + 0,51/0,76 + dу/l + 0,043 = 0,832 + dу/l
dу — толщина теплоизоляции
R0 = Rreq

Формула расчёта толщины утеплителя для данных условий:
dу = l * ( Rreq — 0,832 )

а) — за среднюю толщину воздушной прослойки между стеной и теплоизоляцией принято 20 мм
б) — коэффициент теплопроводности пенополистирола ПСБ-С-25Ф l = 0,039 Вт/(м * °С) на основании протокола испытаний*
в) — коэффициент теплопроводности фасадной минваты l = 0,041 Вт/(м * °С) на основании протокола испытаний*

* — в таблице даны усреднённые показатели необходимой толщины этих двух типов утеплителя.

Примерный расчёт толщины стен из однородного материала для выполнения требований СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».
* для сравнительного анализа используются данные климатической зоны г. Москвы и Московской области.

Условия выполнения расчётов для таблицы:

1. Нормируемое значение сопротивления теплопередаче Rreq = 3,14
2. Толщина однородного материала d= Rreq * l

Таким образом, из таблицы видно, что для того, чтобы построить здание из однородного материала, отвечающее современным требованиям теплосопротивления, к примеру, из традиционной кирпичной кладки, даже из дырчатого кирпича, толщина стен должна быть не менее 1,53 метра.

---

Чтобы наглядно показать, какой толщины необходим материал для выполнения требований по теплосопротивлению стен из однородного материала, выполнен расчёт, учитывающий конструктивные особенности применения материалов, получились следующие результаты:

В данной таблице указаны расчётные данные по теплопроводности материалов.

По данным таблицы для наглядности получается следующая диаграмма:

* — статья отредактирована 12.05.2008

 

«Всё о системах утепления фасадов»

 

Оригинал новости «Какой толщины должен быть утеплитель, сравнение теплопроводности материалов. »

таблица сравнения с другими материалами и расчет толщины слоя утеплителя в зависимости от теплопроводности

Гарантия
5 лет!

Бесплатный
выезд замерщика

Только качественный
материал!

Опыт работы
12 лет!

В технической литературе пенополиуретан описывается как материал с самой низкой теплопроводностью в списке стандартных термоизоляционных материалов. Пенополистирол и жесткий пенополиуретан с низкой плотностью (от 20 до 50 кг/м³) по праву стали самыми используемыми материалами для промышленных холодильных и морозильных камер и других систем, где требуется повышенная термоизоляция. В этом заслуга низкой теплопередачи. Для сравнения теплопроводность жесткого пенополиуретана в разы ниже теплопроводности  минеральной ваты и всех других популярных утеплителей.

Коэффициент теплопроводности жесткого пенополиуретана и других материалов

Именно низкая теплопроводность делает ППУ оптимальным материалом для термоизоляции.

Коэффициент теплопроводности жесткого  пенополиуретана составляет 0,019 – 0,028 Вт/м*К. Этот показатель определяет количество теплоты, которая проходит сквозь куб материала со стороной в 1 м за 1 секунду при единичном изменении температуры в 1 Кельвин. Низкая теплопроводность позволяет обеспечить необходимую теплоизоляцию при минимальном слое покрытия. Например, теплопроводность пенопласта составляет 0,04 – 0,06 Вт/м*К, т.е. понадобится в 2-3 раза более толстый слой пенопласта, чем пенополиуретана. В видео ниже поясняется понятие теплопроводности и его применение в строительстве:

 

 

Совет от профессионала

Если вы хотите сравнить теплопроводность различных строительных материалов, необходимо поделить их коэффициенты теплопроводности. К примеру, теплопроводность минваты и ППУ соотносятся как 0,052/0,019=2,74. Это означает, что слой пенополиуретана в 10 см равен 27,4 см слою минеральной ваты по своим утепляющим свойствам. Если брать теплопроводность керамзита и ППУ, то соотношение будет 0,18/0,019=9,47. То есть слой керамзита должен быть почти в 10 раз толще.

Ниже приведена теплопроводность строительных материалов в таблице

Материал	Коэффициент теплопроводности (Вт/м*К)
Жесткий пенополиуретан	0.019 – 0.028
Пенополистирол (пенопласт)	0.04 – 0.06
Минеральная вата	0. 052 – 0.058
Пенобетон	0.145 – 0.160
Пробковая плита	0.5 – 0.6

*Цифры могут изменяться в зависимости от производителя, погодных условий, точного состава.

Как рассчитать необходимую толщину слоя ППУ-утеплителя?

Для расчета необходимого количества материалов для утепления дома или другой постройки необходимо обратиться к нормативам СНиП 23-02-2003 и рассчитать следующие параметры:

Rreq = a*Dd + b

Dd = (Tint – Tht)*Zht

Δ=Rreq*λ

Rreq – сопротивление теплопередачи

a и b – коэффициенты из таблиц СНиП

Dd – градусо-сутки отопительного сезона

Tint – внутренняя температура помещения, которую необходимо поддерживать

Tht – средняя температура воздуха снаружи помещения

Zht – длительность периода отопления

Δ – искомая толщина слоя ППУ-утеплителя

Λ – теплопроводность

Сопротивление теплопередачи рассчитывается для цельной конструкции, поэтому для расчета сопротивления теплопередачи ППУ необходимо вычесть из общего показателя сопротивления теплопередачи других составных материалов покрытия (например, для стены нужно также учитывать теплопроводность штукатурки и кирпича).

Для примера, возьмем минимальную теплопроводность ППУ, равную 0,019. Используя данные из СНиП для стандартных стен жилого дома – Rreq=3,279 рассчитаем толщину теплоизоляционного покрытия из ППУ – Δ = 3,279*0,019= 0,0623 м (т.е. 6,23 см). Если вам посчастливится приобрести самый термостойкий пенополиуретан с таким низким коэффициентом теплопроводности, достаточная толщина термоизоляционного слоя всего 6 см.

В сравнении с другими утеплителями наиболее тонкий слой утепления дает именно пенополиуретан, теплопроводность которого ниже, чем у любого другого материала. Поэтому нередко утепление ППУ обходится дешевле, чем использование менее совершенных вариантов теплоизоляции.

Теплопроводность: определение, принципы работы, важность, расчеты и факторы

Теплопроводность — одно из важных свойств материала, которое позволяет инженерам выбирать правильный материал для применения. Он определяет, насколько легко тепло может проходить через материал. Например, материал с высокой теплопроводностью, такой как медь, идеально подходит для радиатора, тогда как материал с низкой теплопроводностью, такой как керамика, идеален для теплоизоляции.

В этой статье будет рассмотрена концепция теплопроводности, как она работает, как рассчитывается и различные факторы, которые могут влиять на это свойство.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность можно определить как то, насколько легко материал может передавать тепло при наличии приложенного температурного градиента. Теплопроводность материала часто определяется экспериментально. Он используется для характеристики теплопередачи материала при различных температурах. Теплопроводность часто используется для описания того, является ли материал изолятором или проводником. В случае изолятора термин тепловое сопротивление часто используется для описания того, как материал сопротивляется потоку тепла.

Как работает теплопроводность?

Теплопроводность относится к способности материала передавать тепло по градиенту от высокой температуры к низкой температуре. То, что мы воспринимаем как «тепло», когда прикасаемся к объекту, является макроскопическим эффектом вибраций атомного масштаба внутри материала. Когда тепловая энергия поглощается материалом, эта энергия преобразуется в кинетическую энергию атомов. Атомы в твердых телах не могут много двигаться, поэтому они вибрируют. Вибрирующие атомы, подвергающиеся непосредственному воздействию тепловой энергии, сталкиваются со своими соседями. Это передает кинетическую энергию соседям, которые затем возбуждают атомы еще ниже по потоку от источника тепла. Колебания, вызванные тепловой энергией, перемещаются через материал в более холодные области, что-то вроде ряби, распространяющейся от гальки, ударяющейся о поверхность пруда.

Какое значение имеет теплопроводность?

Теплопроводность важна, поскольку она является мерой того, насколько хорошо материал помогает (проводит) или сопротивляется (изолирует) потоку тепла. На практике это позволяет инженерам выбирать подходящий материал для приложения. Например, в теплообменнике идеален хороший теплопроводник. Для футеровки печи идеально подойдет хороший изолятор.

Какова важность теплопроводности в 3D-печати?

Теплопроводность важна по ряду причин. Во-первых, станина 3D-принтера должна быть горячей, чтобы первый слой прилипал к ней. Платформы для 3D-печати обычно изготавливаются из алюминиевой пластины с нагревательным элементом, прикрепленным к нижней стороне. Алюминий является хорошим проводником тепла, поэтому нагретая алюминиевая платформа принтера будет равномерно передавать тепло по всей целевой области печати. Во-вторых, теплопроводность внутри узла экструдера может привести к сбоям при печати из-за ползучести тепла. Наконец, важна теплопроводность, так как тепло в горячем конце должно передаваться от термистора к пластику, чтобы эффективно расплавить его.

Какова теплопроводность различных материалов для 3D-печати?

В таблице 1 ниже перечислены теплопроводности ряда материалов для 3D-печати:

Таблица 1: Теплопроводность материалов для 3D-печати

Материал для 3D-печати	Теплопроводность (Кал/см·с·oC)	Теплопроводность (Вт/м·K)
Материал для 3D-печати PLA [FDM]	Теплопроводность (Кал/см·с·oC) 0,00031	Теплопроводность (Вт/м·K) 0,13
Материал для 3D-печати ABS [FDM]	Теплопроводность (Кал/см·с·oC) 0,00059	Теплопроводность (Вт/м·К) 0,25
Материал для 3D-печати Нержавеющая сталь 316 [SLM]	Теплопроводность (Кал/см·с·oC) 0,0389	Теплопроводность (Вт/м·K) 16,3
Материал для 3D-печати Нейлон PA12 [SLS]	Теплопроводность (Кал/см·с·oC) 0,00072	Теплопроводность (Вт/м·K) 0,3

Насколько важна теплопроводность при лазерной резке?

Теплопроводность при лазерной резке важна по ряду причин. Во-первых, материалам с высокой теплопроводностью требуется больше энергии, чтобы лазер мог их прорезать. По этой причине такие материалы, как алюминий или медь, труднее резать. Во-вторых, материалы с низкой теплопроводностью будут локализовать тепло вблизи кромки реза. Неравномерный нагрев может привести к остаточным напряжениям, которые могут вызвать коробление или растрескивание материала после остывания.

Насколько важна теплопроводность при литье пластмасс под давлением?

Теплопроводность важна при литье пластмасс под давлением для производства качественных литьевых деталей. Важно, чтобы форма поддерживалась при оптимальной температуре во время формования и быстро охлаждалась после формования, чтобы сократить время цикла. Формы с высокой теплопроводностью обеспечивают быстрый нагрев и быстрое охлаждение для обеспечения оптимального качества и минимального времени цикла.

Какова формула теплопроводности?

Теплопроводность можно рассчитать, используя упрощенную форму закона Фурье для теплопередачи. Важно отметить несколько допущений, используемых при использовании этого уравнения:

1. Установившееся состояние: Теплопередачу можно классифицировать как «установившееся состояние», если температура на горячей стороне не изменяется.
2. Одномерная теплопередача: Тепло передается только в одном направлении.
3. Постоянная теплопроводность: Значение теплопроводности материала будет меняться в зависимости от температуры. Как правило, теплопроводность увеличивается с повышением температуры.

Уравнение теплопередачи показано ниже в уравнении 1: 

Слайд 1 из 1

Уравнение теплопередачи.

Уравнение 1: Одномерная стационарная теплопередача

Где:

k: Теплопроводность

Q: Тепловой поток

A: Площадь поперечного сечения

ΔT: Разность температур (T1-T2) между горячей стороной (T1) и холодной стороной (T2) материала

d: Это относится к длине куска материала

Уравнение можно изменить таким образом, чтобы значение теплопроводности находилось в левой части уравнения согласно уравнению 2:

Слайд 1 из 1

Уравнение теплопроводности.

Уравнение 2: Математическая формула для теплопроводности

Следует отметить, что это неэффективный метод определения теплопроводности материала. Теплопроводность обычно определяется экспериментально в контролируемых условиях в соответствии с международно признанным стандартным методом. Большинство спецификаций материалов указывают теплопроводность при определенной температуре или в диапазоне температур.

Что такое символ теплопроводности?

Теплопроводность чаще всего обозначается буквой к . Однако его также можно представить греческими буквами каппа (κ) и лямбда (λ).

Что такое единица измерения теплопроводности?

Единицей теплопроводности в СИ (Международная система единиц) является Вт/м·К, где:

Вт: Вт

м: метров

К: Кельвин s

В имперских единицах, теплопроводность выражается в БТЕ / (час·фут·°F), где:

БТЕ: Британские тепловые единицы

ч: часов

футов: футов

°F: градусов градусов по Фаренгейту

Как рассчитать теплопроводность материала?

Расчет теплопроводности материала не является общепринятой практикой. Вместо этого теплопроводность в основном определяется в ходе экспериментального процесса, который определяет значение в контролируемых условиях в диапазоне различных температур. Как только коэффициент теплопроводности известен, его можно использовать для расчета теплового потока, как показано в формуле уравнения 1.

Какие примеры расчета теплопроводности?

Теплопроводность не рассчитывается, а определяется экспериментальным путем. Однако, чтобы проиллюстрировать влияние теплопроводности материала на величину теплового потока, ниже представлены три примера с использованием экспериментально определенных коэффициентов теплопроводности обычных материалов. Предполагается, что пластина имеет толщину 1 м, длину и ширину 1 м, а Т1 равна 250 °С, а Т2 равна 25 °С.

Слайд 1 из 1

Примеры расчета теплопроводности для обычных материалов.

Какие факторы влияют на теплопроводность материалов?

Ниже перечислены некоторые факторы, которые могут повлиять на теплопроводность материала:

1.

Температура

У проводящих материалов, таких как металл, теплопроводность обычно снижается с повышением температуры. По мере того как металл нагревается, атомы и фононы начинают вибрировать более энергично. Это уменьшит длину свободного пробега свободных электронов за счет механизма, называемого рассеянием электронов на фононах. Для неметаллов взаимосвязь между температурой и теплопроводностью более сложная, и повышение температуры может как увеличивать, так и уменьшать теплопроводность.

2. Плотность

Более высокая плотность материала обычно может быть связана с более высокой плотностью упаковки атомов в кристаллической решетке или молекулярной структуре материала. Эта более высокая плотность упаковки повысит теплопроводность за счет повышения эффективности теплопередачи через фононы или свободные электроны.

3. Давление

Когда материал подвергается воздействию достаточно высокого давления, существует вероятность увеличения его плотности. Это может привести к увеличению теплопроводности из-за более плотной упаковки атомов или молекул. Другим потенциальным эффектом давления является изменение фазы материала, то есть из твердого состояния в жидкое. Этот фазовый переход может повлиять на теплопроводность материала.

4. Состав

Типы атомов, молекул или ионов в материале могут влиять на его теплопроводность. Например, металлы, как правило, обладают высокой теплопроводностью, потому что их электроны могут свободно двигаться и легко передавать тепло. Однако неметаллические материалы, такие как полимеры или керамика, как правило, имеют более низкую теплопроводность из-за их более жесткой и менее подвижной молекулярной структуры.

5. Структура

Решетчатая структура материала может влиять на его теплопроводность, поскольку одни структуры лучше передают тепло, чем другие. Например, материалы с более крупными кристаллами могут более эффективно передавать тепло, так как в них меньше границ зерен, которые могут препятствовать потоку свободных электронов. В дополнение к этому, форма кристаллической структуры может иметь влияние, например, ГЦК (гранецентрированные кубические) структуры, подобные тем, которые обнаружены в меди, имеют лучшую теплопроводность, чем ОЦК (объемноцентрированные кубические) структуры, подобные тем, которые встречаются в железе. .

6. Пористость

Пористость относится к наличию пустот или газовых карманов в структуре материала. Эти пустоты могут быть естественным явлением, преднамеренно добавленными или из-за плохих методов обработки. Теплопроводность через эти газовые карманы значительно снижается по сравнению с основным материалом. Это снижает общую теплопроводность материала.

7. Примеси

Примеси внутри материала могут влиять на теплопроводность посредством механизма, называемого рассеянием электронов на примесях. Примеси могут создавать локальные аномалии электрического потенциала внутри кристаллической решетки. Это может препятствовать или отклонять движение свободных электронов, тем самым снижая теплопроводность материала.

Каковы преимущества теплопроводности?

Как материалы с очень высокой теплопроводностью, так и материалы с очень низкой теплопроводностью могут обеспечить преимущества в применении, в зависимости от того, является ли более важной характеристикой теплопередача или сохранение тепла. Преимущества использования первоклассных проводников и изоляторов перечислены ниже:

1. Проводники: Материалы с высокой теплопроводностью могут эффективно передавать тепло от источника тепла к радиатору, обеспечивая охлаждение оборудования. В качестве альтернативы проводники могут передавать тепло от источника тепла к более холодной жидкости, чтобы нагреть ее, а также обеспечить равномерную передачу тепла для предотвращения деформации.
2. Изоляторы: Материалы с низкой теплопроводностью могут препятствовать передаче тепла от источника тепла. Это может повысить эффективность печи, например, поскольку она удерживает тепло внутри там, где оно необходимо. Другим примером может быть предотвращение попадания тепла в чувствительную к температуре среду, например внутрь космического корабля, во время входа в атмосферу.

Каковы ограничения теплопроводности?

Ниже перечислены некоторые ограничения измерений теплопроводности:

1. Неточно: Теплопроводность материалов изменяется в зависимости от температуры. По этой причине расчеты, основанные на теплопроводности, измеренной в определенном наборе условий, могут быть неточными при использовании для оценки теплопередачи в других условиях.
2. В основном на основе теплопроводности: Теплопроводность обычно охватывает только теплопередачу посредством теплопроводности и не касается конвекции или радиационного теплопереноса.

Каковы примеры теплопроводности различных материалов?

В таблице 2 ниже перечислены теплопроводности ряда распространенных материалов:

Таблица 2: Теплопроводность некоторых распространенных материалов

Материал	Теплопроводность (Кал/см·с·oC)	Теплопроводность (Вт/м·K)
Материал Мягкая сталь	Теплопроводность (Кал/см·с·oC) 0,102	Теплопроводность (Вт/м·K) 43
Материал Тип Нержавеющая сталь 316	Теплопроводность (Кал/см·с·oC) 0,039	Теплопроводность (Вт/м·K) 16,3
Материал Медь	Теплопроводность (Кал/см·с·°C) 0,958	Теплопроводность (Вт/м·K) 401
Материал Серебро	Теплопроводность (Кал/см·с·oC) 1,025	Теплопроводность (Вт/м·К) 429
Материал Керамическое волокно	Теплопроводность (Кал/см·с·oC) 0,00008	Теплопроводность (Вт/м·К) 0,035

Что означает высокая теплопроводность?

Высокая теплопроводность относится к способности материала быстро и эффективно отводить тепло. Материалы с высокой теплопроводностью могут быстро передавать тепло из одного места в другое. Они используются в приложениях, где важна быстрая теплопередача, например, в теплообменниках.

При теплопроводности основным механизмом передачи тепла является движение свободных электронов. Однако в некоторых случаях фононный теплообмен является основным механизмом, например в алмазах.

Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?

Алмаз обладает самой высокой теплопроводностью среди всех встречающихся в природе материалов. Это связано с его высокоупорядоченной кристаллической структурой, а также с сильными ковалентными связями между структурой кристаллической решетки. Алмаз имеет теплопроводность от 2000 до 2500 Вт/м·К. Однако графен, представляющий собой искусственную структуру, состоящую из плоского расположения атомов углерода, может иметь скорость теплопередачи в плоскости от 3000 до 5000 Вт/м·К.

Что означает низкая теплопроводность?

Низкая теплопроводность означает неспособность материала эффективно проводить тепло. Материалы с низкой теплопроводностью являются хорошими изоляторами. Они, как правило, препятствуют передаче тепла и имеют меньше свободных электронов. По этой причине первичный механизм передачи тепла осуществляется через решетку или молекулярные колебания, которые обычно менее эффективны, чем передача тепла свободными электронами.

Какой материал имеет самую низкую теплопроводность?

Аэрогель имеет самую низкую зарегистрированную теплопроводность среди всех физических материалов. Аэрогель представляет собой гель с микропорами, заполненными газом, обычно воздухом. Эти микропоры создают искусственную пористость, препятствующую теплопередаче. Аэрогель на основе легированного азотом графена может иметь теплопроводность всего 0,023 Вт/м·К. Это примерно такая же теплопроводность, как у воздуха (0,025 Вт/м·К), и воздух считается очень плохим проводником тепла в условиях окружающей среды.

Что лучше: высокая или низкая теплопроводность?

Какая теплопроводность лучше, высокая или низкая, полностью зависит от области применения. В устройствах теплопередачи, таких как теплообменники, идеальна высокая теплопроводность, поскольку она улучшает скорость передачи тепла теплоносителю. В тех случаях, когда необходимо предотвратить передачу тепла на окружающие компоненты, например, в печи, предпочтительна более низкая теплопроводность.

Резюме

В этой статье представлена ​​теплопроводность, объясняется, что это такое, и обсуждаются различные расчеты. Чтобы узнать больше о теплопроводности, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей и других дополнительных услуг для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное предложение без каких-либо обязательств.

Заявление об отказе от ответственности

Содержание, представленное на этой веб-странице, предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, в отношении точности, полноты или достоверности информации. Любые рабочие параметры, геометрические допуски, особенности конструкции, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет поставляться сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, которым нужны расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим частям. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашими условиями для получения дополнительной информации.

Team Xometry

Эта статья была написана различными участниками Xometry. Xometry — это ведущий ресурс по производству с помощью станков с ЧПУ, изготовления листового металла, 3D-печати, литья под давлением, литья уретана и многого другого.

Проводка | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Вычислять теплопроводность.
• Наблюдайте за теплопроводностью при столкновениях.
• Изучение теплопроводности обычных веществ.

Рисунок 1. Изоляция используется для ограничения передачи тепла изнутри наружу (зимой) и снаружи внутрь (летом). (Фото: Джайлс Дуглас)

Ваши ноги мерзнут, когда вы идете босиком по ковру в гостиной в своем холодном доме, а затем ступаете на плиточный пол в кухне. Этот результат интригует, поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру. Разные ощущения объясняются разной скоростью теплопередачи: потеря тепла за один и тот же промежуток времени больше для кожи, соприкасающейся с плиткой, чем с ковром, поэтому перепад температуры на плитке больше.

Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В общем, хорошие проводники электричества (такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, тогда как изоляторы электричества (дерево, пластик и резина) плохо проводят тепло. На рисунке 2 показаны молекулы в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном. При столкновении двух молекул происходит передача энергии от горячей молекулы к холодной. Совокупный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному. Таким образом, тепловой поток зависит от разности температур Δ

Τ = Τ _{горячий} − − T _{холодный} . Поэтому от кипятка вы получите более сильный ожог, чем от горячей водопроводной воды. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля и достигается равновесие. В связи с тем, что число соударений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения. Если вы коснетесь холодной стены ладонью, ваша рука остынет быстрее, чем если вы просто коснетесь ее кончиком пальца.

Рис. 2. Молекулы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на поверхности контакта, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этом рисунке молекула в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую энергию до столкновения, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, молекула в области более высоких температур (левая сторона) имеет высокую энергию перед столкновением, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Третьим фактором механизма теплопроводности является толщина материала, через который передается тепло. На рисунке ниже показана плита материала с разными температурами с обеих сторон. Предположим, что T ₂ больше, чем T ₁ , так что тепло передается слева направо. Перенос тепла с левой стороны на правую осуществляется за счет серии столкновений молекул. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи того же количества тепла. Эта модель объясняет, почему толстая одежда теплее зимой, чем тонкая, и почему арктические млекопитающие защищаются толстым жиром.

Рисунок 3. Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой, будь то оконное стекло или жир моржа. Температура материала T ₂ слева и T ₁ справа, где T ₂ больше T _{1 9 0516 . Скорость теплопередачи за счет теплопроводности прямо пропорциональна площади поверхности А, разности температур T 2 − T 1 , а проводимость вещества k . Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине d .}

Наконец, скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора включены в простое уравнение, которое было выведено и подтверждено экспериментами. Скорость кондуктивной теплопередачи через пластину материала, такую ​​как та, что показана на рисунке 3, определяется как

[латекс]\displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)}{d}\\[/latex],

, где [латекс]\frac{Q }{t}\\[/latex] — скорость теплопередачи в ваттах или килокалориях в секунду, k — теплопроводность материала, A и d — его площадь поверхности и толщина, как показано на рисунке 3, а ( T ₂  –  T ₁ ) представляет собой разность температур поперек плиты. В таблице 1 приведены репрезентативные значения теплопроводности.

Пример 1. Расчет теплопередачи за счет теплопроводности: скорость теплопередачи через коробку для льда

Коробка для льда из пенополистирола имеет общую площадь 0,950 м ²  и среднюю толщину стенок 2,50 см. В коробке находится лед, вода и напитки в банках при температуре 0ºC. Внутренняя часть коробки остается холодной за счет таяния льда. Сколько льда растает за один день, если хранить ящик для льда в багажнике автомобиля при температуре 35,0ºC?

Стратегия

Этот вопрос касается как тепла для фазового перехода (таяние льда), так и переноса тепла путем теплопроводности. Чтобы найти количество растаявшего льда, мы должны найти чистое переданное тепло. Это значение можно получить, рассчитав скорость теплопередачи теплопроводностью и умножив на время. 9{\circ}\text{C};\\t&=&1\text{day}=24\text{hours}=86 400\text{s}.\end{array}\\[/latex]

Определить неизвестные. Нам нужно найти массу льда м . 3\text{ Дж/кг}}=3,44\text{ кг}\\[/латекс]

Обсуждение

Результат 3,44 кг или около 7,6 фунтов кажется правильным, исходя из опыта. Вы можете рассчитывать на то, что будете использовать около 4 кг (7–10 фунтов) мешка со льдом в день. Если вы добавляете какие-либо теплые блюда или напитки, требуется немного дополнительного льда.

Проверка электропроводности в Таблице 1 показывает, что пенополистирол является очень плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Другие хорошие изоляторы включают стекловолокно, шерсть и гусиный пух. Как и пенополистирол, все они включают в себя множество небольших воздушных карманов, использующих плохую теплопроводность воздуха.

Таблица 1. Теплопроводность обычных веществ [1]
Вещество	Теплопроводность k (Дж/с⋅м⋅ºC)
Серебро	420
Медь	390
Золото	318
Алюминий	220
Стальной чугун	80
Сталь (нержавеющая)	14
Лед	2,2
Стекло (среднее)	0,84
Бетонный кирпич	0,84
Вода	0,6
Жировая ткань (без крови)	0,2
Асбест	0,16
Гипсокартон	0,16
Дерево	0,08–0,16
Снег (сухой)	0,10
Пробка	0,042
Стекловата	0,042
Шерсть	0,04
Пуховые перья	0,025
Воздух	0,023
Пенополистирол	0,010

Рисунок 4. Стекловолоконная плита используется для изоляции стен и потолков, чтобы предотвратить передачу тепла между внутренней частью здания и внешней средой.

Для создания хороших изоляторов часто манипулируют сочетанием материала и толщины — чем меньше проводимость k и чем больше толщина d , тем лучше. Отношение [латекс]\frac{d}{k}\\[/латекс] , таким образом, будет большим для хорошего изолятора. Отношение [латекс]\фрак{д}{к}\\[/латекс] называется коэффициентом R . Скорость кондуктивной теплопередачи обратно пропорциональна R . Чем больше значение R , тем лучше изоляция. 9Коэффициенты 0165 R чаще всего указываются для бытовой изоляции, холодильников и т. п. — к сожалению, они по-прежнему указаны в неметрических единицах ft ²  · °F · h/Btu, хотя единица измерения обычно не указывается (1 британская тепловая единица [Btu] — это количество энергии, необходимое для изменения температуры 1,0 фунта воды на 1,0°F). Несколько репрезентативных значений: R с коэффициентом 11 для стекловолоконных плит (кусков) толщиной 3,5 дюйма и R с коэффициентом 19.для войлока из стекловолокна толщиной 6,5 дюйма. Стены обычно утепляются 3,5-дюймовыми плитами, а потолки обычно изолируются 6,5-дюймовыми плитами. В холодном климате для потолков и стен можно использовать более толстые войлочные панели.

Обратите внимание, что в Таблице 1 лучшие теплопроводники — серебро, медь, золото и алюминий — также являются лучшими электрическими проводниками, опять же в связи с плотностью свободных электронов в них. Кухонная утварь обычно изготавливается из хороших проводников.

Пример 2. Расчет разницы температур, поддерживаемой теплопередачей: теплопроводность через алюминиевый поддон

Вода кипит в алюминиевой кастрюле, поставленной на электрический элемент на плите. Сотейник имеет дно толщиной 0,800 см и диаметром 14,0 см. Кипящая вода испаряется со скоростью 1,00 г/с. Какова разница температур поперек (сквозь) дна кастрюли?

Стратегия

Теплопроводность через алюминий является здесь основным методом теплопередачи, поэтому мы используем уравнение для скорости теплопередачи и находим разность температур _.

[латекс]\displaystyle{T}_2-T_1=\frac{Q}{t}\left(\frac{d}{kA}\right)\\[/latex]

Решение

Определите известные и преобразовать их в единицы СИ. ² = 1,54 × 10 ⁻² м ² , а теплопроводность к = 220 Дж/с ⋅ м ⋅ °C.

Рассчитайте необходимую теплоту парообразования 1 г воды:  9{\circ}\text{C}\\[/latex]

Обсуждение

Значение теплопередачи [латекс]\frac{Q}{t}\\[/latex] = 2,26 кВт или 2256 Дж/ с типично для электрической плиты. Это значение дает удивительно малую разницу температур между плитой и кастрюлей. Учтите, что горелка плиты раскалена докрасна, а температура внутри кастрюли почти 100ºC из-за ее контакта с кипящей водой. Этот контакт эффективно охлаждает дно кастрюли, несмотря на его близость к очень горячей горелке плиты. Алюминий является настолько хорошим проводником, что достаточно этой небольшой разницы температур для передачи тепла в кастрюле мощностью 2,26 кВт.

Проводимость вызвана беспорядочным движением атомов и молекул. Таким образом, это неэффективный механизм переноса тепла на макроскопические расстояния и короткие временные расстояния. Возьмем, к примеру, температуру на Земле, которая была бы невыносимо холодной ночью и очень жаркой днем, если бы перенос тепла в атмосфере осуществлялся только за счет теплопроводности. В другом примере автомобильные двигатели перегревались бы, если бы не было более эффективного способа отвода избыточного тепла от поршней.

Проверьте свои знания

Как изменится скорость теплопередачи за счет теплопроводности, если все пространственные измерения удвоятся?

Решение

Поскольку площадь является произведением двух пространственных измерений, она увеличивается в четыре раза при удвоении каждого измерения ( A _final  = (2 d ) ²  = 4 д ²  = 4 A _{начальный} ). Расстояние, однако, просто удваивается. Поскольку разность температур и коэффициент теплопроводности не зависят от пространственных размеров, скорость теплопередачи за счет теплопроводности увеличивается в четыре раза, деленное на два, или в два раза:

[латекс]\left(\frac{Q}{t}\right)_{\text{final}}=\frac{kA_{\text{final}}\left(T_2-T_1\right)}{ d _ {\ text {final}}} = \ frac {k \ left (4A _ {\ text {initial}} \ right) \ left (T_2-T_1 \ right)} {2d _ {\ text {initial}}} = 2 \ frac {kA _ {\ text {initial}} \ left (T_2-T_1 \ right)} {d _ {\ text {initial}}} = 2 \ left (\ frac {Q} {t} \ right) _ {\ text{initial}}\\[/latex]

Резюме раздела

• Теплопроводность — это передача тепла между двумя объектами, находящимися в прямом контакте друг с другом.
• Скорость теплопередачи[латекс]\frac{Q}{t}\\[/латекс] (энергия в единицу времени) пропорциональна разности температур T ₂ −   T ₁  и площадь контакта A  и обратно пропорциональна расстоянию d между объектами: [конец х]\frac{Q}{t}=\frac{ \text{kA}\left({T}_{2}-{T}_{1}\right)}{d}\\[/latex].

Концептуальные вопросы

1. Некоторые электрические плиты имеют плоскую керамическую поверхность со скрытыми под ней нагревательными элементами. Кастрюля, поставленная над нагревательным элементом, будет нагреваться, при этом безопасно прикасаться к поверхности всего в нескольких сантиметрах. Почему керамика с проводимостью меньше, чем у металла, но больше, чем у хорошего изолятора, идеальный выбор для плиты?
2. Свободная белая одежда, закрывающая большую часть тела, идеальна для жителей пустыни, как на жарком солнце, так и в холодные вечера. Объясните, чем выгодна такая одежда и днем, и ночью.

Рисунок 5. Джелабию носят многие мужчины в Египте. (кредит: Zerida)

Задачи и упражнения

1. (a) Рассчитайте скорость теплопроводности через стены дома толщиной 13,0 см со средней теплопроводностью, вдвое превышающей теплопроводность стекловаты. Предположим, что окон и дверей нет. Площадь стен 120 м ² и их внутренняя поверхность имеет температуру 18,0ºC, а их внешняя поверхность имеет температуру 5,00ºC. (б) Сколько комнатных обогревателей мощностью 1 кВт потребуется, чтобы сбалансировать теплопередачу за счет теплопроводности?
2. Скорость отвода тепла из окна в зимний день достаточно высока, чтобы охладить воздух рядом с ним. Чтобы увидеть, насколько быстро окна передают тепло за счет теплопроводности, рассчитайте коэффициент теплопроводности в ваттах через окно длиной 3,00 м и толщиной 0,635 см (1/4 дюйма), если температуры внутренней и внешней поверхностей равны 5,00 ºC и −10,0ºC соответственно. Эта высокая скорость не будет поддерживаться — внутренняя поверхность будет остывать и даже приведет к образованию инея.
3. Рассчитайте скорость теплопроводности тела человека, принимая, что внутренняя температура ядра составляет 37,0ºC, температура кожи – 34,0ºC, средняя толщина тканей между ними – 1,00 см, а площадь поверхности – 1,40 м ² .
4. Предположим, вы стоите одной ногой на керамическом полу, а другой — на шерстяном ковре, контактируя с поверхностью площадью 80,0 см ² каждой ногой. Толщина керамики и ковра составляет 2,00 см, а температура их нижней стороны составляет 10,0ºC. С какой скоростью должна происходить теплопередача от каждой ноги, чтобы верхняя часть керамического покрытия и ковра оставались на уровне 33,0ºC?
5. Человек потребляет 3000 килокалорий пищи в день, преобразуя большую часть этого количества для поддержания температуры тела. Если он теряет половину этой энергии при испарении воды (при дыхании и потоотделении), то сколько килограммов воды испаряется?
6. (a) Огнеход бежит по слою раскаленных углей, не получив ожогов. Рассчитайте тепло, передаваемое за счет теплопроводности подошве одной ступни огнехода, учитывая, что подошва ступни представляет собой мозоль толщиной 3,00 мм с проводимостью на нижнем пределе диапазона для дерева и плотностью 300 кг/м. ³ . Площадь контакта 25,0 см ² , температура углей 700°С, время контакта 1,00 с. (b) Какое повышение температуры происходит на 25,0 см ³ пораженной ткани? (c) Как вы думаете, какое влияние это окажет на ткань, учитывая, что мозоль состоит из мертвых клеток?
7. (a) Какова скорость теплопроводности через мех толщиной 3,00 см крупного животного с площадью поверхности 1,40 м ² ? Предположим, что температура кожи животного равна 32,0°С, температура воздуха -5,00°С, а теплопроводность меха такая же, как у воздуха. (b) Какое количество пищи потребуется животному в течение одного дня, чтобы заменить эту теплопередачу?
8. Морж передает энергию посредством проводимости через ворвань со скоростью 150 Вт при погружении в воду с температурой -1,00ºC. Внутренняя температура ядра моржа составляет 37,0ºC, а площадь его поверхности составляет 2,00 м ² . Какова средняя толщина его ворвани, имеющей проводимость жировой ткани без крови?

   Рис. 6. Морж на льдине. (кредит: капитан Бадд Кристман, Корпус NOAA)

9. Сравните скорость теплопроводности через стену толщиной 13,0 см и площадью 10,0 м ² и теплопроводностью в два раза больше, чем у стекловаты, при коэффициенте теплопроводности через окно толщиной 0,750 см и площадью 2,00 м ² при одинаковой разности температур на каждом из них.
10. Предположим, что человек с головы до ног покрыт шерстяной одеждой со средней толщиной 2,00 см и передает энергию за счет проводимости через одежду со скоростью 50,0 Вт. Какова разница температур поперек одежды, если площадь ее поверхности составляет 1,40 м? ² ?
11. Некоторые варочные поверхности выполнены из гладкой керамики, что облегчает их очистку. Если толщина керамики составляет 0,600 см, а теплопроводность происходит через ту же площадь и с той же скоростью, что и в примере 2, какова разница температур на ней? Керамика имеет такую ​​же теплопроводность, как стекло и кирпич.
12. Одним из простых способов сократить расходы на отопление (и охлаждение) является дополнительная изоляция чердака дома. Предположим, что в доме уже имеется 15-сантиметровая изоляция из стекловолокна на чердаке и на всех наружных поверхностях. Если добавить на чердак дополнительные 8,0 см стекловолокна, то на сколько процентов снизится стоимость отопления дома? Возьмем одноэтажный дом размером 10 м на 15 м на 3,0 м. Не учитывать инфильтрацию воздуха и потери тепла через окна и двери.
13. (a) Рассчитайте коэффициент теплопроводности через окно с двойным остеклением площадью 1,50 м ² и состоящее из двух окон толщиной 0,800 см, разделенных воздушным зазором 1,00 см. Температура внутренней поверхности составляет 15,0ºC, а наружной -10,0ºC. (Подсказка: существуют одинаковые перепады температуры на двух стеклянных панелях. Сначала найдите их, а затем перепад температуры в воздушном зазоре. В этой задаче не учитывается увеличение теплопередачи в воздушном зазоре из-за конвекции. ) (b) Рассчитайте скорость теплопроводность через окно толщиной 1,60 см той же площади и при тех же температурах. Сравните свой ответ с ответом на пункт (а).
14. Многие решения принимаются на основе периода окупаемости: времени, которое потребуется за счет сбережений, чтобы сравняться с капитальными затратами инвестиций. Приемлемые сроки окупаемости зависят от бизнеса или философии человека. (Для некоторых отраслей период окупаемости составляет всего два года.) Предположим, вы хотите установить дополнительную изоляцию в ответе на вопрос 12. Если стоимость энергии составляет 1 доллар США за миллион джоулей, а изоляция — 4 доллара США за квадратный метр, рассчитайте простой срок окупаемости. . Возьмите среднее значение Δ T  для 120-дневного отопительного сезона 15,0ºC.
15. Какова скорость теплопередачи тела человека путем теплопроводности через ткани тела при следующих условиях: толщина ткани 3,00 см, изменение температуры 2,00°С, площадь кожи 1,50 м ² .