От каких факторов зависят теплофизические свойства материалов

От каких факторов зависят теплофизические свойства материалов thumbnail

Это группа свойств, которые характеризуют отношение материала к постоянному или периодическому тепловому воздействию.

Теплоемкость – свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании и отдавать при охлаждении. Удельная теплоемкость с (кДж/(кг·°С)) характеризуется количеством тепла, кДж, необходимым для нагревания 1 кг материала на 1°С:

Вода имеет высокую теплоемкость (4,2 кДж/(кг·°С)), строительные материалы более низкие величины: лесные материалы 2,39…2,72 кДж/(кг·°С), каменные 0,75…0,92 кДж/(кг·°С), сталь 0,48 кДж/(кг·°С), поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость увеличивается.

Теплопроводность – свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой при перепаде температур на противоположных поверхностях материала.

Теплопроводность оценивают коэффициентом теплопроводности λ (Вт/(м·°С)), который характеризуется количеством теплоты (Q), проходящим через материал площадью S=1 м2, толщиной a=1 м, в течении одной секунды (τ), при разности температур на противоположных поверхностях в Δt=1°С:

Теплопроводность материала зависит от его химического состава, строения и структуры, степени влажности, характера и размера пор, а также температуры, при которой происходит передача тепла.

Рис. 1.22. Прибор ИТП-МГ4 для определения коэффициента теплопроводности

Тепловой поток проходит через «каркас» материала и поры. Каркас материала кристаллического строения более теплопроводен, чем каркас материала из того же состава, но аморфного строения.

В сухом состоянии поры материала заполнены воздухом, теплопроводность которого составляет 0,0232 Вт/(м·°С). Поэтому малотеплопроводные материалы имеют большую (до 90…95%) пористость. При одинаковой величине пористости, мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос тепла конвекцией.

Теплопроводность является функцией средней плотности строительного материала:

Приближенно коэффициент теплопроводности таких материалов как бетон, природный камень, полнотелый кирпич, можно определить по формуле В.П. Некрасова:

Теплопроводность некоторых строительных материалов: пенопласт – 0,03…0,05 Вт/(м·°С); минеральная вата – 0,06…0,09 Вт/(м·°С); древесина – 0,18…0,36 Вт/(м·°С); кирпич керамический полнотелый – 0,8…0,9 Вт/(м·°С); кирпич керамический пустотелый – 0,3…0,5 Вт/(м·°С); бетон тяжелый – 1,3…1,5 Вт/(м·°С); ячеистый бетон – 0,1…0,3 Вт/(м·°С); сталь – 58 Вт/(м·°С).

С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, т.к. вода, заполняющая поры, имеет теплопроводность 0,58 Вт/(м·°С), что в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность при замерзании воды в порах, т.к. теплопроводность льда составляет 2,32 Вт/(м·°С), что в 100 раз больше теплопроводности воздуха.

Сопротивление теплопередаче (термическое сопротивление) – свойство строительной конструкции сопротивляться проникновению сквозь свою толщу теплового потока.

Условное приведенное сопротивление теплопередаче однородного фрагмента ограждающей конструкции:

αв=8,7 коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2×оС) (см. табл. 4 СП 50.13330.2012);

αн =23 коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2×оС) (см. табл. 6 СП 50.13330.2012);

δ i – толщина каждого слоя стены, м;

λi – коэффициент теплопроводности каждого слоя стены, Вт/(м×оС).

Расчет выполняется из условия:

Тепловое расширение – свойство материала изменять линейные размеры при нагревании. Характеризуется коэффициентом линейного температурного расширения:

Термическая стойкость – способность материала выдерживать чередование резких тепловых изменений. Зависит от однородности материала и коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР). Чем меньше КЛТР и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, которые выдерживают температуру свыше 1580°С называют огнеупорными, от 1350°С до 1580°С – тугоплавкими, ниже 1350°С – легкоплавкими, до 1000°С – жаропрочными.

Показатели пожарной опасности строительных материалов нормируются в соответствии с Федеральным законом от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (с изменениями на 13.07.2014 г.).

Пожарная опасность строительных материалов характеризуется следующими свойствами:

Горючесть – определяется экспериментально по показателям: температура дымовых газов; продолжительность самостоятельного горения; степень повреждения образца по длине и по массе (табл. 1.2):

· НГ – негорючие;

· Г1 – слабогорючие;

· Г2 – умеренногорючие;

· Г3 – нормальногорючие;

· Г4 – сильногорючие.

Материал относится к негорючим, если при стандартном испытании прирост температуры в установке не превышает 50°С, образец не воспламеняется в течение 10 с, а потеря массы образца не превышает 5%. Для негорючих строительных материалов другие показатели пожарной опасности не определяются и не нормируются. Если эти условия не выполняются, материал считают горючим и подвергают испытанию для определения группы горючести (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Группы горючести строительных материалов

Группа горючести

Параметры горючести

Температура дымовых газов, °С Степень повреждения образца по длине, % Степень повреждения образца массе, % Продолжительность самостоятельного горения, с
Г1 ≤ 135 ≤ 65 ≤ 20 0
Г2 ≤ 235 ≤ 85 ≤ 50 ≤ 30
Г3 ≤ 450 > 85 ≤ 50 ≤ 300
Г4 > 450 > 85 > 50 > 30

Воспламеняемость(определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м2):

· В1 – трудновоспламеняемые (>35);

· В2 – умеренновоспламеняемые (20…35);

· В3 – легковоспламеняемые (<20).

Способность распространения пламени по поверхности(определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м2):

· РП1 – нераспространяющие (>11);

· РП2 – слабораспространяющие (8…11);

· РП3 – умереннораспространяющие (5…8);

· РП 4 – сильнораспространяющие (<5).

Дымообразующая способность(определяется экспериментально по значению коэффициента дымообразования, характеризующего оптическую плотность дыма, образующегося при горении или тлении определенного количества материала в условиях специальных испытаний, м2/кг):

· Д1 – с малой дымообразующей способностью (<50);

· Д2 – с умеренной дымообразующей способностью (50…500);

· Д3 – с высокой дымообразующей способностью (>500).

Токсичность продуктов горения(определяется экспериментально по значению показателя токсичности продуктов горения – отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных, г/м3):

Таблица 1.3

Классификация строительных материалов по токсичности продуктов горения

Класс опасности

Показатель токсичности продуктов горения в зависимости от времени экспозиции

5 минут 15 минут 30 минут 60 минут
Малоопасные (Т1) более 210 более 150 более 120 более 90
Умеренноопасные (Т2) более 70, но не более 210 более 50, но не более 150 более 40, но не более 120 более 30, но не более 90
Высокоопасные (Т3) более 25, но не более 70 более 17, но не более 50 более 13, но не более 40 более 10, но не более 30
Чрезвычайно опасные (Т4) не более 25 не более 17 не более 13 не более 10

На основании приведенных показателей пожарной опасности строительных материалов устанавливается интегральный показатель – класс пожарной опасности строительного материала (таблица 1.4).

Таблица 1.4

Классы пожарной опасности строительных материалов

Свойства пожарной опасности строительных материалов

Классы пожарной опасности строительных материалов в зависимости от групп

КМО КМ1 КМ2 КМ3 КМ4 КМ5
Горючесть НГ Г1 Г1 Г2 Г3 Г4
Воспламеняемость В1 В2 В2 В2 В3
Дымообразующая способность Д2 Д2 Д3 Д3 Д3
Токсичность Т2 Т2 Т2 Т3 Т4
Распространение пламени РП1 РП1 РП2 РП2 РП4

Строительные конструкции классифицируются по огнестойкости и пожарной опасности.

Огнестойкость – свойство строительной конструкции сопротивляться действию огня при пожаре до наступления одного или нескольких предельных состояний.

Численной характеристикой огнестойкости является предел огнестойкости (мин, не менее):15; 30; 45; 60; 90; 120; 150; 180; 240; 360, который характеризует время с момента начала теплового воздействия на конструкцию до наступления одного или нескольких предельных состояний:

R – по потере несущей способности (обрушение несущей конструкции);

E – по потере целостности конструкции (появление в ограждающей конструкции трещин, через которые дымовые газы могут проникнуть на пути эвакуации или в помещение, где находятся люди);

I – по потере теплоизолирующей способности (нагрев поверхности конструкции свыше установленных пределов).

По сути, предел огнестойкости характеризует время, доступное для безопасной эвакуации людей из здания в случае пожара.

Пожарная опасность строительной конструкции характеризует степень участия строительных конструкций в развитии пожара и их способность к образованию опасных факторов пожара (таблица 1.5):

· К0 – непожароопасные;

· К1 – малопожароопасные;

· К2 – умереннопожароопасные;

· К3 – пожароопасные.

Таблица 1.5

Классы пожарной опасности строительных конструкций

Класс пожарной опасности конструкций

Допускаемый размер повреждения конструкций, сантиметры

Наличие

Допускаемые характеристики пожарной опасности поврежденного материала+

вертикальных

горизонтальных

теплового эффекта

горения

Группа

горючести воспламеняемости дымообразующей способности
К0 0 0 отсутствует отсутствует отсутствует отсутствует отсутствует
К1 не более 40 не более 25 не регламентируется отсутствует не выше Г2+ не выше В2+ не выше Д2+
К2 более 40, но не более 80 более 25, но не более 50 не регламентируется отсутствует не выше Г3+ не выше В3+ не выше Д2+
К3

не регламентируется

Источник

Теплопроводность
свойство материала проводить тепловой
поток через толщу от одной поверхности
до другой

Теплопроводность
характеризуется коэффициентом
теплопроводности.

Коэффициент
теплопроводности

это количество тепла прошедшее через
стену толщиной 1 м, в течении одного
часа, площадью 1 м2, при разности температур
на противоположных поверхностях в 1
градус.

Теплоемкость
свойство материала поглощать тепло при
нагревании. Определяется удельной
теплоемкостью.

Удельная
теплоемкость

это количество тепла необходимое для
нагрева 1 кг. материала на 1 градус.

Термостойкость
– свойство материала сохранять свои
свойства при термическом воздействии.
Это свойство применимо к огнеупорным
и хрупким материалам т. е, сопротивляться
воздействию высоких и низких температур
не разрушаясь ( пластики при низких
температурах и бетон в горячих цехах).

Минплита-
550°С Шамотный кирпич-
1450°С

Асбест-
700°С Графитовые
изделия- 2000°С

Для
изделий из пластмасс эта характеристика
равна температуре оплавления.

Огнестойкость
способность материала сохранять физико-
механические свойства при воздействии
огня и высоких температур. Определяется
пределом огнестойкости.

Предел
огнестойкости

– это время в течение которого, конструкции
выполняют свои функции (ограждения и
несущие) в условиях пожара.

По
степени огнестойкости материалы делятся
на:

Сгораемые
– деревянные, полимерные
материалы, битумные.

Трудно-сгораемые
– пропитанная древесина, некоторые
пластмассы.

Несгораемые
– металлы, кирпич, бетон, черепица.

Для
увеличения огнестойкости материала их
обрабатывают, пропитывают или окрашивают.

Огнестойкость–
свойство материала противостоять, не
воспламеняясь и не деформируясь при
длительном воздействии высоких
температур.

Материалы
и изделия обладающие огнеупорностью
не ниже 1580° называются – огнеупорными.
Это например: шамотный кирпич;
магнезитовые и графитовые материалы

Материалы
огнеупорные бывают: штучные, бетоны,
растворы, обмазки, набивные массы.

Хладостойкость

это свойство материалов сохранять
пластичность, вязкость при пониженной
температуре. Это относится к металлам
стеклопластикам и имеет отношение к
надежности строительных конструкций.

Акустические
свойства
.

Звукоизолирующая
способность – снижение уровня звуковой
волны. Звукоизоляционная способность
или способности поглощать звуковые
волны это важное свойство для ограждающих
конструкций. Как правило, такими
свойствами обладают пористые материалы.

Светопроницаемость

свойство материала пропускать как,
прямой так и рассеянный свет, она зависит
от шероховатости поверхности.

Показатель
светопроницаемости: для оконного стекла
– 1.0, для органического стекла – 0,9 для
стеклопластика 0,75 -0,8.

Прозрачность
– это свойство стекла пропускать свет,
не изменяя его направления.

Радиационная
стойкость

– способность противостоять воздействию
радиационному излучению.

Физические свойства технологического характера.

Вязкость

относится к полимерам, битумным
материалам, определяется вискозиметром
– количество материала в течение времени
прохождения через сопло прибора.

Текучесть
свойство обратное вязкости.

Эластичность
– свойство материалов выдерживающих
без повреждения изгибание вокруг
металлического стержня.

Усадка
– нежелательное изменение линейности
размеров и объема.

Укрывистость
– кроющая способность. Свойство делать
невидимый цвет окрашенной поверхности.
Определяется наличием в граммах материала
на м2 окрашиваемой поверхности
(лакокрасочные и отделочные материалы).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Источник

От каких факторов зависят теплофизические свойства материаловК ним относят те свойства материалов, что связаны с изменением температуры. В контексте снижения затрат на энергоносители в холодный период года важнейшими для любого владельца дома являются способность строительных материалов передавать (терять), а так же аккумулировать и держать тепло.

Теплопроводность строительных материалов

Это способность строительного материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур внутри и снаружи здания. Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий) и материалов, предназначенных для теплоизоляции.

Теплопроводность стройматериала зависит от его химического состава, структуры, влажности, пористости и характера пор, разности температур на противоположных его поверхностях и средней температуры при которой происходит передача тепла

От каких факторов зависят теплофизические свойства материаловПоказателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности. Этот коэффициент равен количеству тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 часа при разности температур образца в 1°С. Чем он больше, тем хуже теплоизоляционная способность материала. Плотные стройматериалы, материалы с крупными порами и с закрытыми порами лучше передают тепло, поэтому для целей теплоизоляции стараются применять мелкопористые материалы и материалы с открытыми порами. Наличие влаги в порах увеличивает теплопроводность в десятки раз.

Коэффициент теплопроводности λ (Вт/мС): воздуха 0,023, древесины вдоль волокон 0,35 и поперек волокон 0,175, воды 0,59, керамического кирпича 0,82, льда 2,3. То есть воздушные поры в материале резко снижаются его теплопроводность, а увлажнение сильно увеличивает, так как коэффициент теплопроводности воды в 25 раз выше, чем у воздуха. При замерзании воды в порах теплопроводность материала увеличивается еще больше, так как лед примерно в 4 раза теплопроводнее воды и в сто раз теплопроводнее воздуха. Результат лучше всего заметен на примере неграмотно утеплённой мансарды. Можно увидеть, что сырая теплоизоляция в морозную погоду практически перестаёт работать.

Теплозащитные свойства конкретной конструкции определяются коэффициентом сопротивления теплопередаче, который связывает коэффициент теплопроводности с толщиной (B) стены, перекрытия или слоя теплоизоляции: R = B / λ. Из формулы видно, что чем больше теплопроводность, тем меньше коэффициент сопротивления теплопередаче и, следовательно, хуже теплозащитные свойства ограждающей конструкции.

Удельная теплоёмкость материалов

От каких факторов зависят теплофизические свойства материаловРавна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1С. У органических материалов она обычно выше, чем у неорганических (кДж/(кг°С). Для древесины 2,38-2,72, для стали 0,46, для воды 4,187. Видно, что наибольшую теплоёмкость имеет вода, поэтому их теплоёмкость и возрастает с повышением влажности материалов. Кстати, высокая теплоёмкость воды делает её идеальным теплоносителем для системы отопления.

Тепловое расширение

Свойство материалов расширятся при нагревании и сжиматься при охлаждении, что приводит к изменениям линейных размеров и объема. Характеризуется коэффициентом линейного расширения, показывающим, насколько расширяется материал при повышении температуры на 1С.

В конструкциях, объединяющих несколько материалов, коэффициент теплового линейного расширения необходимо всегда учитывать. У стали (11-11,9) и бетона (10-14) он почти одинаков, поэтому эти материалы так хорошо сочетаются в железобетонных конструкциях. Если же коэффициенты линейного расширения отдельных компонентов значительно различаются, в таких конструкциях возникают напряжения, которые могут привести не только к появлению микротрещин и короблению, но и к полному их разрушению.

Аккумулирование тепла

Свойство материала при нагревании поглощать, а при охлаждении отдавать определённое количество теплоты называют теплоаккумулирующей способностью. Зависит она от удельной теплоемкости строительного материала, его средней плотности и толщины стеновой конструкции. Физический смысл теплоаккумулирующей способности (Qs) материала в возможности накопить и удержать в квадратном метре стены заданной толщины некоторое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем может определенное время (время остывания ta) расходоваться на поддержание комфортного микроклимата в помещении.

От каких факторов зависят теплофизические свойства материаловДля более понятного восприятия можно провести аналогию с радиаторами отопления. Чугунные радиаторы благодаря тепловой инерции, то есть большей способности чугуна аккумулировать тепло, при отключении подачи теплоносителя остаются горячими более длительное время, расходуя накопленную энергию на прогрев помещения, чем стальные или алюминиевые.

Время остывания стен зависит от теплоаккумулирующей способности материала и сопротивления теплопередаче ta = Qs R, и чем Qs и R больше, тем более длительный промежуток времени в помещениях дома будет сохраняться приемлемые для жизнедеятельности условия. Полная формула расчёта времени остывания будет выглядеть так: ta = С γ В2 / λ. Где С – удельная теплоёмкость, γ – средняя плотность, λ – коэффициент теплопроводности, B – толщина стены

Теплофизические параметры некоторых строительных материалов

Материал

С (кДж/кг°С)

γ (кг/м³)

λ (Вт/м °С)

Ячеисто-бетонные блоки D500

1.0

500

0.12

Хвойные породы дерева

2.3

650

0.18

Керамический кирпич пустотелый

0.88

1000

0.44

Силикатный кирпич

0.88

1800

0.87

Железобетон

0.84

2500

2.04

Подставляя приведенные в таблице данные в формулу и учитывая, что Вт=Дж/сек, получаем следующее соотношение времени остывания. Быстрее всего остывают железобетонные конструкции. Стена из ячеистых блоков будет остывать в 2,1 раза дольше, чем стена из пустотелого керамического и в 2,6 раза медленнее, чем из силикатного кирпича. На практике теплоаккумулирующая способность материалов видна на примере прогрева и остывания периодически отапливаемого здания, например, дачи.

Огнестойкость строительных материалов

Это способность строительного материала сохранять основные характеристики (несущая способность, прочность, твердость и пр.) под воздействием высоких температур, например, при пожаре. По степени огнестойкости строительные материалы делят на несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы (кирпич, бетон, сталь) под действием открытого пламени или высоких температур не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Однако необходимо учитывать, под воздействием открытого пламени они теряют несущую способность. Некоторые несгораемые материалы (мрамор, стекло, асбестоцемент) при нагревании разрушаются полностью, а стальные конструкции сильно деформируются. Трудно сгораемые материалы (фибролит, асфальтобетон) тлеют и обугливаются, но после удаления источника пламени или высокой температуры тление прекращается.

От каких факторов зависят теплофизические свойства материаловСгораемые материалы (дерево, пластики, битумы, бумага) воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть и после удаления источника пламени или температуры. Для повышения огнестойкости эти материалы обрабатывают огнезащитными составами – антипиренами, которые при нагревании выделяют газы, не поддерживающие горения, или образуют на материале пористой защитой слой, замедляющий его нагрев. Но необходимо учитывать, что состав способен проникнуть вглубь древесины лишь на несколько миллиметров и не является панацеей от пожара. Он лишь задерживает распространение пламени.

В применении к зданиям и сооружениям говорят не об огнестойкости материалов, а об огнестойкости конструкций. Так как, например, конструкции, выполненные из сгораемых материалов, но обработанные антипиренами или защищенные от огня штукатуркой или облицовкой из несгораемых материалов, по своей огнестойкости относятся к трудно сгораемым.

Огнеупорность строительных материалов

Огнеупорностью называется способность материала выдерживать, не расплавляясь и не деформируясь, длительное воздействие высоких температур выше 1580°С. Огнеупорными являются шамотный кирпич, жароупорный бетон и др. Материалы, размягчающиеся при температуре ниже 1350°С, называются легкоплавкими. Материалы, выдерживающие температуру от 1350°С до 1580°С без заметных деформаций, называются тугоплавкими.

Что нам стоит дом построить

Источник