Загрузка...Теплопроводность и теплоемкость кирпича
Теплоемкость материалов — таблица
В строительстве очень важной характеристикой является теплоемкость строительных материалов. От нее зависят теплоизоляционные характеристики стен постройки, а соответственно, и возможность комфортного пребывания внутри здания. Прежде, чем приступить к ознакомлению с теплоизоляционными характеристиками отдельных строительных материалов, необходимо понять, что собой представляет теплоемкость и как она определяется.
Удельная теплоемкость материалов
Теплоемкость – это физическая величина, описывающая способность того или иного материала накапливать в себе температуру от нагретой окружающей среды. Количественно удельная теплоемкость равна количеству энергии, измеряемой в Дж, необходимой для того, чтобы нагреть тело массой 1 кг на 1 градус.
Ниже представлена таблица удельной теплоемкости наиболее распространенных в строительстве материалов.
Для того, чтобы рассчитать теплоемкость того или иного материала, необходимо обладать такими данными, как:
- вид и объем нагреваемого материала (V);
- показатель удельной теплоемкости этого материала (Суд);
- удельный вес (mуд);
- начальную и конечную температуры материала.
Теплоемкость строительных материалов
Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.
А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.
Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.
Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.
Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.
В первую очередь нужно определиться с удельной массой дерева, кирпича и бетона. Известно, что 1 м3 дерева весит 500 кг, кирпича – 1700 кг, а бетона – 2300 кг. Если мы берем стенку, толщина которой составляет 35 см, то путем нехитрых расчетов получим, что удельная масса 1 кв.м дерева составит 175 кг, кирпича – 595 кг, а бетона – 805 кг.
Далее выберем значение температуры, при которой будет происходить накопление тепловой энергии в стенах. Например, это будет происходить в жаркий летний день с температурой воздуха 270С. Для выбранных условий рассчитываем теплоемкость выбранных материалов:
- Стена из дерева: С=СудхmудхΔТ; Сдер=2,3х175х27=10867,5 (кДж);
- Стена из бетона: С=СудхmудхΔТ; Сбет=0,84х805х27= 18257,4 (кДж);
- Стена из кирпича: С=СудхmудхΔТ; Скирп=0,88х595х27= 14137,2 (кДж).
Из произведенных расчетов видно, что при одинаковой толщине стены наибольшим показателем теплоемкости обладает бетон, а наименьшим – дерево. О чем это говорит? Это говорит о том, что в жаркий летний день максимальное количество тепла будет накапливаться в доме, выполненном из бетона, а наименьшее – из дерева.
Этим объясняет тот факт, что в деревянном доме в жаркую погоду прохладно, а в холодную погоду тепло. Кирпич и бетон легко накапливают в себе достаточно большое количество тепла из окружающей среды, но так же легко и расстаются с ним.
Теплоемкость и теплопроводность материалов
Теплопроводность – это физическая величина материалов, описывающая способность проникновения температуры с одной поверхности стены на другую.
Для создания комфортных условий в помещении необходимо, чтобы стены обладали высоким показателем теплоемкости и низким коэффициентом теплопроводности. В этом случае стены дома будут в состоянии накапливать тепловую энергию окружающей среды, но при этом препятствовать проникновению теплового излучения внутрь помещения.
Плотность и удельная теплоемкость кирпича
Кирпич — ходовой стройматериал в строительстве зданий и сооружений. Многие различают только красный и белый кирпич, но его виды намного разнообразнее. Они различаются как внешне (форма, цвет, размеры), так и такими свойствами, как плотность и теплоемкость.
Традиционно различают керамический и силикатный кирпич, которые имеют различную технологию изготовления. Важно знать, что плотность кирпича, его удельная теплоемкость и теплопроводность кирпича у каждого вида может существенно отличаться.
Керамический кирпич изготавливается из глины с различными добавками и подвергается обжигу. Удельная теплоемкость керамического кирпича равна 700…900 Дж/(кг·град). Средняя плотность керамического кирпича имеет значение 1400 кг/м 3 . Преимуществами этого вида являются: гладкая поверхность, морозо- и водоустойчивость, а также стойкость к высоким температурам. Плотность керамического кирпича определяется его пористостью и может находится в пределах от 700 до 2100 кг/м 3 . Чем выше пористость, тем меньше плотность кирпича.
Силикатный кирпич имеет следующие разновидности: полнотелый, пустотелый и поризованный, он имеет несколько типоразмеров: одинарный, полуторный и двойной. Средняя плотность силикатного кирпича составляет 1600 кг/м 3 . Плюсы силикатного кирпича в отличной звуконепроницаемости. Даже если прокладывать тонкий слой из такого материала, звукоизоляционные свойства останутся на должном уровне. Удельная теплоемкость силикатного кирпича находится в пределах от 750 до 850 Дж/(кг·град).
Значения плотности кирпича различных видов и его удельной (массовой) теплоемкости при различных температурах представлены в таблице:
| Вид кирпича | Температура, °С |
Плотность, кг/м 3 |
Теплоемкость, Дж/(кг·град) |
|---|---|---|---|
| Трепельный | -20…20 | 700…1300 | 712 |
| Силикатный | -20…20 | 1000…2200 | 754…837 |
| Саманный | -20…20 | — | 753 |
| Красный | 0…100 | 1600…2070 | 840…879 |
| Желтый | -20…20 | 1817 | 728 |
| Строительный | 20 | 800…1500 | 800 |
| Облицовочный | 20 | 1800 | 880 |
| Динасовый | 100 | 1500…1900 | 842 |
| Динасовый | 1000 | 1500…1900 | 1100 |
| Динасовый | 1500 | 1500…1900 | 1243 |
| Карборундовый | 20 | 1000…1300 | 700 |
| Карборундовый | 100 | 1000…1300 | 841 |
| Карборундовый | 1000 | 1000…1300 | 779 |
| Магнезитовый | 100 | 2700 | 930 |
| Магнезитовый | 1000 | 2700 | 1160 |
| Магнезитовый | 1500 | 2700 | 1239 |
| Хромитовый | 100 | 3050 | 712 |
| Хромитовый | 1000 | 3050 | 921 |
| Шамотный | 100 | 1850 | 833 |
| Шамотный | 1000 | 1850 | 1084 |
| Шамотный | 1500 | 1850 | 1251 |
Необходимо отметить еще один популярный вид кирпича – облицовочный кирпич. Он не боится ни влаги, ни холодов. Удельная теплоемкость облицовочного кирпича составляет 880 Дж/(кг·град). Облицовочный кирпич имеет оттенки от ярко-желтого до огненно-красного. Таким материалом можно производить и отделочные и облицовочные работы. Плотность кирпича этого вида имеет величину 1800 кг/м 3 .
Стоит отметить отдельный класс кирпичей — огнеупорный кирпич. К этому классу относятся динасовый, карборундовый, магнезитовый и шамотный кирпич. Огнеупорный кирпич достаточно тяжел — плотность кирпича этого класса может достигать значения 2700 кг/м 3 .
Наименьшей теплоемкостью при высоких температурах обладает карборундовый кирпич — она составляет величину 779 Дж/(кг·град) при температуре 1000°С. Кладка из такого кирпича прогревается намного быстрее, чем из шамотного, но хуже держит тепло.
Огнеупорный кирпич применяется, при строительстве печей, с рабочей температурой до 1500°С. Удельная теплоемкость огнеупорного кирпича существенно зависит от температуры. Например, удельная теплоемкость шамотного кирпича имеет величину 833 Дж/(кг·град) при 100°С и 1251 Дж/(кг·град) при 1500°С.
- Франчук А. У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов, М.: НИИ строительной физики, 1969 — 142 с.
- Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. — 1008 с. строительной физики, 1969 — 142 с.
- Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.
- Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи.
Коэффициенты морозостойкости, теплоемкости и теплопроводности кирпича
Сфера применения материала определяется его эксплуатационными характеристиками. Комплекс рассматриваемых свойств должны соответствовать требованиям, предъявляемых строительному кирпичу при сооружении внешних стен, перекрытий, фундамента. Возведение конструкций подразумевает выбор изделий различного назначения:
- Силикатный – рядовой, лицевой, пустотелый, полнотелый.
- Керамический – жаростойкий и все разновидности предыдущего вида.
- Клинкерный – для облицовки фасадов.
Показатели определяют энергопотребление дома, затраты на обогрев помещений. Проектирование сооружений, расчеты ограждающих конструкций учитывают эти параметры.
Коэффициент теплопроводности
Материалы обладают свойством проводить тепло от нагретой поверхности в более холодную область. Процесс происходит в результате электромагнитного взаимодействия атомов, электронов и квазичастиц (фононы). Основной показатель величины – коэффициент теплопроводности (λ, Вт/), определяемый как количество теплоты, проходящее через единицу площади сечения за единичный интервал времени. Малое значение положительно влияет на сохранение теплового режима.
Согласно ГОСТ 530-2012 эффективность кладки в сухом состоянии характеризуется коэффициентом теплопроводности:
- ≤ 0.20 – высокая;
- 0.2 Теплоемкость
Необходимое количество тепла, подведенного к телу для увеличения температуры на 1 Кельвин – определение понятия «полная теплоемкость». Единица измерения: Дж/К или Дж/°C. Чем больше объем и масса тела (толщина стен и перекрытий), тем выше теплоемкость материала, лучше поддерживается благоприятный температурный режим. Наиболее точно это свойство подтверждают характеристики:
- Удельная теплоемкость кирпича – количество тепла, необходимое для нагрева единичной массы вещества за единичный интервал времени. Единица измерения: Дж/кг*К или Дж/кг*°C. Используется для инженерных расчетов.
- Объемная теплоемкость – количество тепла, потребляемое телом единичного объема для нагрева за единицу времени. Измеряется в Дж/м³*К или Дж/кг*°C.
| Вид изделия | Удельная теплоемкость, Дж/кг*°С |
| Красный полнотелый | 880 |
| пустотелый | 840 |
| Силикатный полнотелый | 840 |
| пустотелый | 750 |
Тепловая конвекция непрерывна: радиаторы нагревают воздух, который передает тепло стенам. При понижении температуры в помещениях происходит обратный процесс. Увеличение удельной теплоемкости, снижение коэффициента теплопроводности стен обеспечивают сокращение затрат на обогрев дома. Толщина кладки может быть оптимизирована рядом действий:
- Применение теплоизоляции.
- Нанесение штукатурки.
- Использование пустотного кирпича или камня (исключено для фундамента здания).
- Кладочный раствор с оптимальными теплотехническими параметрами.
Таблица с характеристиками различных видов кладок. Использованы данные СП 50.13330.2012:
| Плотность, кг/м³ | Удельная теплоемкость, кДж/кг*°С | Коэффициент теплопроводности, Вт/м*°C | |
| Цементно-песчаный | 1800 | 0.88 | 0.56 |
| Цементно-перлитовый | 1600 | 0.88 | 0.47 |
| Цементно-песчаный | 1800 | 0.88 | 0.7 |
| 1400 | 1600 | 0.88 | 0.47 |
| 1300 | 1400 | 0.88 | 0.41 |
| 1000 | 1200 | 0.88 | 0.35 |
Морозостойкость кирпичной кладки
Устойчивость к воздействию отрицательных температур – показатель, влияющий на прочность и долговечность конструкции. Кладка в процессе эксплуатации насыщается влагой. В зимний период вода, проникая в поры, превращается в лед, увеличивается в объеме и разрывает полость, в которой находится – происходит разрушение. Морозоустойчивость, как правило, низкая, водопоглощение не должно превышать 20 %.
Определение количества циклов замораживания и оттаивания без потери прочности каждого вида изделия позволяет выявить морозоустойчивость (F). Значение получают опытным путем. В лаборатории проводят многократную заморозку в холодильных камерах и естественное оттаивание образцов.
Коэффициент морозостойкости – отношение прочности на сжатие опытного и исходного элемента. Изменение показателя более 5 %, наличие трещин, отколов сигнализируют об окончании испытаний. Марки изделий содержат характеристики по морозостойкости: F15 (20, 25, 35, 50, 75, 100, 150). Цифровой параметр указывает на количество циклов: чем выше число, тем надежнее возводимая система.
Приобретение кирпича высокой марки морозостойкости опустошит бюджет, заложенный на строительство. Меры по улучшению свойств конструкций, продлению срока эксплуатации в зонах холодного климата без увеличения расходов:
- Применение паро- и гидроизоляции.
- Обработка кладки гидрофобными составами.
- Контроль, своевременное исправление дефектов.
- Надежная гидроизоляция фундамента.
От выбора материала для кладки, его удельной теплоемкости, теплопроводности, морозостойкости зависит срок и комфорт эксплуатации дома. Сложные расчеты, составление сметы расходов лучше доверить опытным специалистам, имеющим опыт в строительстве и проектировании.
Теплоаккумулирующая способность материалов
Способность материала удерживать тепло оценивается его удельной теплоемкостью, т.е. количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры одного килограмма материала на один градус. Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг*K). Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1°K требуется 4,19 кДж.
| Материал | Плотность, кг/м 3 | Теплоемкость, кДж/(кг*K) | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*K) | Масса ТАМ для теплоаккумулирования 1 ГДж теплоты при Δ= 20 K, кг | Относительная масса ТАМ по отношению к массе воды, кг/кг | Объем ТАМ для теплоаккумулирования 1 ГДж теплоты при Δ= 20 K, м 3 | Относительный объем ТАМ по отношению к объему воды, м 3 /м 3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Гранит, галька | 1600 | 0,84 | 0,45 | 59500 | 5 | 49,6* | 4,2 |
| Вода | 1000 | 4,2 | 0,6 | 11900 | 1 | 11,9 | 1 |
| Глауберова соль (декагидрат сульфата натрия)* | 14600 т 1300 ж |
1,92 т 3,26 ж |
1,85 т 1,714 ж |
3300 | 0,28 | 2,26 | 0,19 |
| Парафин* | 786 т | 2,89 т | 0,498 т | 3750 | 0,32 | 4,77 | 0,4 |
Для водонагревательных установок и жидкостных систем отопления лучше всего в качестве теплоаккумулирующего материала применять воду, а для воздушных гелиосистем — гальку, гравий и т.п. Следует иметь в виду, что галечный теплоаккумулятор при одинаковой энергоемкости по сравнению с водяным теплоаккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной теплоаккумулятор диаметром 1,5 м и высотой 1,4 м имеет объем 4,3 м 3 , в то время как галечный теплоаккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м 3 .
Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода теплоаккумулирующего материала. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания, кВт*ч/кг:
- нефть — 11,3;
- уголь (условное топливо) — 8,1;
- водород — 33,6;
- древесина — 4,2.
При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции — десорбции) может аккумулироваться 286 Вт*ч/кг теплоты при разности температур 55°C. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60°C составляет 14 17 Вт*ч/кг, а в воде — 70 Вт*ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление — затвердевание) плотность аккумулирования значительно выше, Вт*ч/кг:
- лед (таяние) — 93;
- парафин — 47;
- гидраты солей неорганических кислот — 40 130.
| Материал | Удельная теплоемкость, кДж/(кг*K) | Плотность, кг/м 3 | Теплоемкость, кДж/(м 3 *K) |
|---|---|---|---|
| Вода | 4,19 | 1000 | 4187 |
| Металлоконструкции | 0,46 | 7833 | 3437 |
| Бетон | 1,13 | 2242 | 2375 |
| Кирпич | 0,84 | 2242 | 1750 |
| Магнетит, железная руда | 0,68 | 5125 | 3312 |
| Базальт, каменная порода | 0,82 | 2880 | 2250 |
| Мрамор | 0,86 | 2880 | 2375 |
К сожалению, лучший из приведенных в таблице 2 строительных материалов — бетон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/(кг*K), удерживает лишь ¼ того количества тепла, которое хранит вода того же веса. Однако плотность бетона (кг/м 3 ) значительно превышает плотность воды. Во втором столбце таблицы 2 приведены плотности этих материалов. Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, получим теплоемкость на кубический метр. Эти величины приведены в третьем столбце таблицы 2. Следует отметить, что вода, несмотря на то, что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на 1 м 3 выше (2328,8 кДж/м 3 ), чем остальные материалы таблицы, в силу ее значительно большей удельной теплоемкости. Низкая удельная теплоемкость бетона в значительной степени компенсируется его большой массой, благодаря которой он удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м 3 ).
