Газоблок характеристики теплопроводность: плотность, технические характеристики, паропроницаемость, размеры

Содержание

Какая теплопроводность газобетона — определяем толщину стены

Теплопроводность – свойство материала проводить(удерживать) тепло. Чем теплопроводность ниже, тем лучше материал сохраняет тепло. Газобетон в плане теплоэффективности обладает отличными показателями, которые во много раз лучше, чем у кирпича.

Если углубится в сам процесс передачи тепла, то тепловая энергия очень хорошо передается через плотные материалы, и намного медленнее передается через воздух. В газобетонных блоках очень много воздуха, чему способствуют многочисленные поры в его составе. Каждая отдельная пора представляет из себя преграду на пути продвижения тепла, и соответственно, тепло лучше сохраняется.

Газобетон бывает различной плотности, от D300 до D700. Чем плотность ниже, тем больше в нем воздуха, и ниже теплопроводность, то есть тепло лучше сохраняется. В более плотном газобетоне воздуха меньше, и тепло он сохраняет хуже.

Плотность и прочность газобетона связаны напрямую, то есть, легкие газобетоны имеют меньшую прочность на сжатие.

Теперь перейдем непосредственно к цифрам, а точнее к таблице теплопроводности газобетона и других материалов.

Влияние влаги на теплопроводность газобетона

Если внимательно разобраться в столбцах таблицы, то можно заметить небольшие различия в теплопроводности между сухим и влажным состоянием газобетона. Мокрый газобетон быстрее проводит тепло, то есть, хуже удерживает тепло. Чем блоки влажнее, тем больше у них теплопроводность.

Стоит отметить, что свежий автоклавный газобетон привозят на стройплощадку очень влажным, и чтобы он про сох до равновесной влажности, которая составляет 5%, ему необходимо просохнуть около года. Тогда его теплопроводность уменьшится, и он будет лучше удерживать тепло. Этап просушки является очень важным, и в этот период не стоит заниматься отделкой стен, они должны просыхать, иначе будет плесень.

Теплопроводность и тепловое сопротивление

Теплопроводность — это некоторый коэффициент материала, и чем он ниже, тем лучше сохраняется тепло.

Тепловое сопротивление, это расчетное значение стены, которое определяется по простой формуле — толщину газобетона (в метрах) делим на коэффициент теплопроводности материала.

Пример! Имеем стену из газобетона марки D400 толщиной 375 мм, и нужно определить тепловое сопротивление. По таблице смотрим тепловодность газобетона D400 — (0.11).

Тепловое сопротивление = 0.375/0.11 = 3.4 м2·°C/Вт.

Чем значение теплового сопротивления больше, тем лучше сохраняется тепло. Как вы понимаете, стена толщиной 400 мм будет удерживать тепло в два раза лучше, чем стена 200 мм.

С теплопроводностью самого газобетона разобрались, но как дела обстоят в кладке, ведь она включает в себя еще и швы. Так как швы между блоками состоят из клея или раствора, то они представляют из себя небольшие мостики холода, которые ухудшают общее тепловое сопротивление стены. Поэтому, кладку газобетона осуществляют только на специальный тонкошовный клей.

Толщина шва при кладке должна быть 2-3 мм, что сведет к минимуму мостики холода. Газобетонные блоки нельзя укладывать на обычный раствор, исключением является только первый ряд блоков по гидроизоляции фундамента.

Сравнение газобетона и теплой керамики

Газобетон и теплая керамика являются большими конкурентами на рынке строительных материалов, и обычному самостройщику, чтобы построить дом, нужно сперва сравнить их. В данном обзоре мы постараемся пройтись по всем аспектам строительства из автоклавного газоблока и теплой(поризованной) керамики.

Итак, для начала определимся, что важно человеку, который хочет построить для себя дом. Люди хотят построить себе дом как можно дешевле, быстрее, теплее, долговечней и без проблем в процессе эксплуатации. И все эти вопросы мы рассмотрели по следующим пунктам:

  1. Состав материалов(экологичность).
  2. Плотность (вес).
  3. Геометрия блоков.
  4. Требование к фундаменту.
  5. Теплопроводность.
  6. Теплоемкость.
  7. Прочность.
  8. Звукоизоляция.
  9. Огнестойкость.
  10. Удобство резки.
  11. Скорость кладки.
  12. Наличие армопояса.
  13. Водопоглощение.
  14. Морозостойкость.
  15. Крепление крепежей.
  16. Затраты на отделку.
  17. Стоимость.

Состав материалов

Керамические блоки являются экологическими и состоят из специальной глины, которую обжигают в печах при высокой температуре.

Автоклавный газобетон состоит из цемента, песка и газообразующих добавок (алюминиевая пудра и известь). В процессе производства, под высоким давлением насыщенного пара и температуры, алюминиевая пудра и известь реагируют между собой и нейтрализуются, создавая в газобетоне поры.

Все эти компоненты в целом создают искусственный камень – тобермарит, который также является абсолютно экологическим материалом.

Плотность (вес)

Керамические блоки обладают плотностью около 900 кг/куб. Газобетонные блоки могут быть различной плотности. В частном строительстве применяют газобетон плотностью от D300 до D600. Чем плотность ниже, тем меньше прочность на сжатие, но тем лучше сохраняется тепло.

Низкая плотность блоков, при одинаковой толщине, обеспечивает более легкий дом, что требует менее массивного фундамента, то есть, экономия на бетоне.

Теплопроводность

Теплопроводность является одной из самых важных характеристик внешних стеновых блоков, чем теплопроводность меньше, тем лучше сохраняется тепло в доме, и тем меньше затраты на отопление.

По СНиПу считается, что для средней полосы России, сопротивление теплопередаче стены должно составлять 3,2 м2 С°/Вт.

Такое сопротивление теплопередаче обеспечивается следующими стеновыми блоками:

  • Газобетон D300 – 300мм.
  • Газобетон D400 – 400мм.
  • Газобетон D500 – 500мм.
  • Теплая керамика – 500 мм.

Если смотреть на теплопроводность не отдельно взятого блока, а стены в целом, то играет роль еще и толщина швов. Чем швы тоньше, тем теплее стена. В газобетоне клеевой шов получается около 2 мм, что сводит к минимуму мостики холода.

В теплой керамике швы будут около сантиметра, что сильно ухудшает тепловое сопротивление стены при кладке на обычный раствор. Потому для кладки керамических блоков применяют специальный теплый раствор, который намного лучше сохраняет тепло.

Стоимость клея для газобетона и теплого раствора для керамики примерно одинакова, но расход клея для газобетона в 5 раз меньше. Но стоит отметить, что в газобетоне вертикальные шва нужно заполнять, а в теплой керамике не нужно, что экономит теплый раствор примерно на 30%.

Теплоемкость

Теплоемкость зависит от плотности материала, чем плотность выше, тем больше теплоемкость. Теплоемкость больше у керамических блоков, то есть, тепло будет сохраняться дольше, но и прогреваться будет дольше. Для дома с круглогодичным проживанием, теплоемкость практически не важна.

Прочность

Газобетон является очень пористым материалом, из-за чего он хрупкий, и имеет плохую прочность на изгиб, что часто является причиной усадочных трещин. Чтобы такого не происходило, газобетон приходится армировать, и использовать армопояс.

Но стоит отметить, что прочности на сжатие газобетонов D400 и D500 вполне хватает для возведения двухэтажного дома. Качественный автоклавный газобетон D400 обладает классом прочности на сжатие – B2,5.

В качественной теплой керамике, класс прочности на сжатие составляет B5 или B7.5, что в два-три раза выше чем у газоблока D400. То есть, из керамических блоков можно строить более высокие дома, этажностью до 9 этажей. Так что по прочности на сжатие выигрывает теплая керамика.

Удобство распиливания

Газобетон является более хрупким и мягким материалом, от того и работать с ним проще, и распиливать его намного проще. Газобетон можно пилить обычной ручной пилой, а для распила теплой керамики нужно применять специальные электроинструменты, к примеру, пилу “алигатор”.

С точки зрения самостройщика, газобетон намного проще пилить и делать в нем штробы.

Геометрия блоков

Заводской автоклавный газобетон имеет отклонение в размерах блоков 1-2мм.

У теплой керамики отклонение (4-5мм). То есть газобетон намного ровнее по всем плоскостям, что позволяет делать более тонкие швы и наносить меньший слой штукатурки.

Удобство и скорость кладки

Для кладки газоблока применяется тонкошовный клей, расход которого очень невелик. Можно замешать целое ведро клея, нанести тонкий слой, и быстро выложить на него около 10 блоков газобетона. Далее теркой идеально выравниваете плоскость газоблоков, выравнивание рядов происходит очень быстро. Из недостатков кладки газоблока отметим требование к армированию самой кладки и наличие армопояса. Более подробно про это читайте в нашей отдельной статье.

Для кладки керамоблоков применяется раствор, которого нужно замешивать намного больше, швы получаются в 5 раз толще, что связано с большой погрешностью в геометрии блоков (4-5мм). Для теплой керамики не требуется промазка вертикальных швов, так как там присутствуют пазы.

Стоит отметить, что газобетонные блоки намного крупнее, что опять же ускоряет кладку.

Газоблок — (600*250*200).

Теплая керамика — (380*250*220). 

Как итог, сами газобетонные блоки укладываются намного проще, быстрее и экономней по клею. Но газобетон требует армирование рядов и армопояс под перекрытия. Но даже с учетом этого, газобетон немного выгоднее по трудозатратам. 

Водопоглощение

Хоть газобетон и является пористым материалом, воду он впитывает слабо. Это связано с капиллярным подсосом газобетона, который составляет всего 30 мм. То есть, если газобетон находится под проливным дождем, он промокнет максимум на 30 мм. В одинаковых условиях, кирпич и теплая керамика напитаются водой намного сильнее, так как капиллярный подсос у них намного больше.

Если рассмотреть капиллярный подсос газобетона более подробно, то причиной такого хорошего показателя являются сами поры, которые прерывают мелкие капилляры, затрудняя прохождение воды в толщу блока.

Стоит отметить, что свежий автоклавный заводской газобетон выходит из завода очень мокрым, влажность его составляет около 40%. Связано это с тем, что в автоклавах создается огромное давление водяного пара, которое и насыщает газобетон.

Полное высыхание газобетона до равновесной влажности происходит примерно за два года, зависит это от толщины стены, плотности газобетона и прочим факторам.

Внешнюю отделку газобетона лучше начинать на следующий год, когда газобетон частично высохнет.

Морозостойкость

Морозостойкость теплой керамики и газобетона сопоставима, и производители заявляют класс морозостойкости не менее F50.

Средние слои газобетона ни при каких обстоятельствах не могут наполнится водой. По многочисленным испытаниям, качественные газобетонные блоки выдерживают от 50 циклов заморозки/оттаивания без потерь физико-механических свойств.

Физика данного процесса такова, что, когда вода в порах замерзает, лишняя вода адсорбционно под давлением занимает свободное пространство в других порах, не разрывая поры на части. В результате, газобетон выдерживает множество циклов замерзания-оттаивания.

Главное, чтобы вода не попадала на газобетон сверху, так как она там может застоятся, не успеть впитаться и при замораживании разрушить наружные поры газобетона.

Огнестойкость

И газобетон, и теплая керамика являются огнестойкими, и не поддерживают горение.

Материалы способны выдерживать длительные пожары без существенной потери несущей способности.

Звукоизоляция

Газобетон, в виду своей низкой плотности, является плохим звукоизолятором, потому, для перегородок между жилыми комнатами лучше использовать полнотелый кирпич. Теплая керамика в плане звукоизоляции лучше, но она также проигрывает обычному полнотелому кирпичу.

Крепление крепежей

Ходят слухи, что на газобетон нельзя ничего повесить, и что обычный гвоздь или шуруп вырывается без малейших усилий. С одной стороны, это так и есть, но если использовать специальные дюбеля по газобетону или химические анкеры, то вопрос с крепежом отпадает. Так как небольшой дюбель на вырывание показывает нагрузку около 150 кг, а химический анкер может выдержать до полтонны.

В поризованной керамике пластмассовые дюбеля держаться хуже чем в газобетоне, чтобы не быть голословными, очень рекомендуем вам посмотреть тестирование крепежей на газоблоке и теплой керамике в видео на 29 минуте.

Затраты на отделку

Если в качестве внешней или внутренней отделки вы планируете использовать штукатурку, то ее слой будет тоньше в том случае, где стена более ровная, то есть, где блоки ровнее, там будет и меньший расход штукатурки. В плане количества штукатурки, выигрывает газобетон, но для него нужно использовать специальную тонкослойную, с хорошей паропроницаемостью штукатуркой, которая дороже. 

То есть, в газобетоне расход штукатурки будет меньше, а сама штукатурка дороже. В итоге, по штукатурке выйдет одинаковая стоимость как для газоблока, так и для теплой керамики.

В газобетонных стенах намного быстрее и проще делать штробы под провода, розетки и трубы.

Стоимость

Теперь перейдем к самому важному вопросу – стоимости блоков и общей стоимости готового дома.

Стоимость кубометра керамоблоков и газоблоков примерно одинакова. Но, для достижения нужного теплового сопротивления нужно 400мм газоблока D400 или 500 мм керамических блоков. То есть, газобетона D400 нужно на 20% меньше.

Клея для кладки газобетона уйдет примерно в 4 раза меньше, что опять же экономия. Но, для кладки газобетона нужно использовать арматуру для армирования рядов, а также армопояс. Но в целом, дом из газобетона получается дешевле, быстрее, и для самостройщика проще. Но это только наше субъективное мнение. Принимайте свое решение самостоятельно, и покупайте материал, который вам больше подходит.

Газоблок против керамики(видео)

Теплопроводность газобетона — АлтайСтройМаш

В условиях постоянного роста количества населения все больше внимания уделяется совершенствованию технологий строительства. Газобетонные блоки отличаются внушительными габаритами, легким монтажом и улучшенными техническими характеристиками. Например, теплопроводность газоблока значительно ниже, чем у кирпича. Это делает материал экономичным при покупке и возведении зданий любого типа за счет сокращения количества сырья при сохранении должного уровня теплопроводности.

Алтайский завод строительного машиностроения проектирует и производит оборудование для производства газобетонных блоков. Станки собираются в России, поставляются на территорию Казахстана, Узбекистана, а также в любую другую точку мира. Помимо того, что газоблок способствует оперативному сооружению зданий, он долговечен, способен переносить до 150 циклов заморозки и разморозки.

Коэффициент теплопроводности газобетона по марке

На производственных линиях компании АлтайСтройМаш выпускаются газоблоки любых марок: D400, D500, D600 и т.д. Каждая марка газобетонных блоков служит определенной цели в работах по возведению зданий:


  • D400 применяется для строительства временных малогабаритных построек жилого типа. Сырье требует дополнительной отделки или облицовки. Цифра «400» говорит о том, что в 1 куб.м. газобетона содержится 400 кг твердого материала; остальное пространство занимают пузырьки воздуха.


  • D500 подходит для построек бытового и сельскохозяйственного назначения. Блоки немного прочнее, чем марка D400, однако еще не способны выдерживать нагрузку тяжелой кровли. 


  • Блоки D600 и выше применяются при малоэтажном строительстве, обычно при возведении частных одноуровневых домов. 

Пористая структура газобетонных блоков препятствует выдуванию тепла из внутренней части здания. Это позволяет экономить на теплоизоляционных материалах при дальнейших отделочных работах.

Таблица теплопроводности газобетона





Уровень влажности, %


Марка D400


Марка D500


Марка D600 


0


0.096


0.112


0.141


5


0.117


0.147


0.183

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/м*°С. Приведенные характеристики отражают низкий уровень выдувания тепла. Показатель достигается ввиду того фактора, что пузырьки воздуха, находящиеся внутри блока, медленно меняют свою температуру. 

Теплопроводность газобетона: сравнение с деревом и кирпичом


  • Средневзвешенные показатели теплопроводности для газоблоков составляют 0,08-0,14 Вт/м*°С. 


  • Для декоративного керамического кирпича, который используется при внешней облицовке стен здания, уровень теплоотдачи указывается в диапазоне от 0,36 до 0,42 Вт/м*°С. 


  • Стены из обычного глиняного кирпича, уложенного в один ряд, соответствуют показателю 0,56 Вт/м*°С. 


  • Самый дорогой силикатный кирпич также служит декоративным целям и не сохраняет тепло в здании из-за показателя в 0,71 Вт/м*°С. 


  • Теплопроводность древесины зависит от сорта дерева и влажности окружающей среды. Ее характеристики находятся в диапазоне от 0,09 до 0,218 Вт/м*°С. 



При просмотре нашего каталога товаров вы найдете объекты строительного машиностроения для производства блоков из газобетона. Материал для возведения и облицовки стен обладает хорошими перспективами и будет распространяться на новые сферы промышленности. 

Кирпич и газобетон — АлтайСтройМаш

Строительство собственного дома – ответственный шаг в жизни каждого человека. Однако многие «рядовые строители» (а также предприниматели, планирующие производить стеновые блоки) не знают, какому строительному материалу лучше отдать предпочтение.

В этой серии экспертных статей мы не будем пытаться убедить вас сделать выбор в пользу того или иного материала. Мы просто предоставим вам реальные факты, благодаря которым вы сами сможете оценить преимущества и сделать выбор в пользу определенного строительного материала.


  • Что лучше: кирпич или газобетон?


  • На какие характеристики материалов следует обратить внимание в первую очередь?


  • Сколько стоит дом из кирпича и газоблоков?

Ответы на эти и многие другие вопросы вы найдете в нашей статье!

Содержание


  1. Размеры


  2. Прочность на сжатие


  3. Плотность


  4. Теплопроводность


  5. Морозостойкость


  6. Экологичность


  7. Огнестойкость


  8. Расход раствора


  9. Стоимость материалов


  10. Итоги (сравнительная таблица)

Размеры

Начинаем с первого, что бросается в глаза – с размера материалов. Стандартный размер кирпича – 250х120х65 мм. Стандартный размер газобетонных блоков – 600х300х200 мм. 1 кубометр кирпича содержит 513 отдельных кирпичиков. 1 кубометр газобетона содержит 28 отдельных блоков.

Что это значит на практике?

Приведем конкретный пример. На строительство одноэтажного дома 10х10 метров понадобится примерно 30 м3 строительного материала: 15 390 кирпичей или 840 газоблоков. Не сложно догадаться, что строительство дома из кирпича займет в несколько раз больше времени (не менее чем на 30%). 

Если вы будете работать один, то без проблем построите газобетонную коробку за 3 месяца. На такую же по размерам кирпичную коробку понадобится не менее 5-ти месяцев.

Прочность на сжатие

Данный параметр показывает, какую нагрузку могут выдержать стены будущего дома. Газобетонные блоки в среднем выдерживают нагрузку от 25 до 50 кг/см2. У кирпича данный показатель значительно выше – примерно 110-120 кг/см2

Что это значит на практике? 

Характеристика теплопроводности газобетонных блоков

Вопрос сохранения тепла в домах раньше не стоял так остро, так как для возведения конструкций применялись материалы, создаваемые на основе тяжелых видов бетона, соответственно, здания и так очень хорошо сохраняли тепло.

Теперь же на выбор строительного материала оказывает влияние, как его стоимость, так и стоимость используемых энергоносителей в помещении. Они в определенный момент резко подорожали, поэтому более целесообразным стало использовать, в том числе, и в качестве способа утепления здания, газобетонные блоки.

Газобетон производят посредством реакции между алюминиевой пудрой и известью. Данную смесь вымешивают в цементном растворе, реакция же создает ячейки, которые получаются с разным диаметром. Такой материал получается пористым, что значительно снижает его вес, даже если отдельные элементы являются достаточно крупными на вид. Характеристики блоков, на которые нужно обращать внимание — это изоляционные свойства, паропроницаемость, но выделяется коэффициент теплопроводности.

Что нужно знать про коэффициент теплопроводности?

Применяется этот показатель ко всем строительным материалам, а означает он количество (за одни час) тепла, которое способно преодолеть 1 м³ материала, если на 1 ºС изменится окружающая температура, в ту или иную сторону. Измерение и его дальнейший расчет значения, которое измеряется в ваттах на метр-кельвин, происходит исключительно в лабораторных условиях. Самостоятельно газобетон тестировать не нужно, так как существуют уже готовые таблицы, где есть все основные характеристики.

Тепловые характеристики блоков

При строительстве здания очень важно правильно рассчитать толщину стен, так как она будет оказывать влияние не только на нагрузку, которую тоже превышать нельзя, но и на теплопроводность. Подход к вопросу должен быть серьезным, так как конечное предназначение здания может быть каким угодно. Для жилого помещения подойдет один коэффициент, для нежилого — другой. Также важным аспектом являются и климатические условия в том месте, где здание из газобетона будет возводиться.

Газобетон с различной плотностью используется для разных целей, то есть, если речь идет именно о теплоизоляции, то подойдут марки от D300 до D400, в качестве дополнительного утеплителя подойдут марки от D500 до D900, также они могут быть использоваться для строительства зданий с одним этажом и мансардной крышей. Для высоток, а, конкретнее, для несущих конструкций в них, лучше всего взять что-то из D1000 и более прочные. Цифра означает, сколько именно в кубометре бетона содержится твердых компонентов. Сама таблица выглядит так:

Таблица индекса изоляции шума в зависимости от марок газобетона
Показатель влажности Марка газобетона
D300 D400 D500 D600
Коэффициент теплопроводности, λ0(Вт/(м · ºС))
В сухом состоянии 0% 0,072 0,096 0,112 0,141
При влажности 5% 0,088 0,117 0,147 0,183

Что касается монтажа блоков, то он происходит посредством пазов и клея, соответственно, подобное сцепление не дает возможности теплу уходить. Но даже при изначально благоприятных условиях в вопросе утепления дома, значительное количество денежных средств можно сэкономить, зная, каким будет коэффициент теплопроводности блоков из газобетона при конкретной толщине стен.

Таблица зависимости коэффициента теплопроводности от толщины стен из газобетона
Толщина стены, мм Марка газобетона
D400 D500 D600
Коэффициент теплопроводности, λ0(Вт/(м · ºС))
120 0,82 1,01 1,16
200 0,51 0,61 0,72
240 0,41 0,52 0,58
300 0,32 0,42 0,46
360 0,27 0,33 0,38
400 0,25 0,31 0,35

Учитывая эти характеристики видно, что чем ниже коэффициент теплопроводности, тем выше теплоизоляция стены.

Влияние толщины швов

Нельзя обходить вниманием энергосберегающую способность газобетона, и уже на этом этапе на первый план выходит его толщина. Например, есть такое понятие, как мостик холода, который представляет собой слой цемента, который укладывается между блоками. От толщины слоя раствора также многое зависит.

При использовании шва с толщиной не более 2 мм, теплотехническая однородность не меняется — если сказать простыми словами, то при подобной толщине коэффициент теплопроводности не будет изменен. При использовании более толстого слоя раствора, до 12 мм, коэффициент возрастает примерно на 20%, при толщине 20 мм данный показатель увеличится вплоть до 30%, что является критичным.

Как сказывается показатель теплопроводности на использование материала?

В случае если стена из блоков является однослойной, и не имеет никакой отделки в принципе, то есть, внутри и снаружи оставлено все, как есть, то ее можно сделать оградой своего основного помещения, но при одном важном условии — относительная влажность в нем, когда отопление включено, не может превышать 55%. Еще следует учитывать и максимальный уровень накапливания влаги, то есть, к концу этого периода ее прирост не должен быть больше 1,5%. Когда этот материал используется для строительства стены в ванной комнате или в сауне, то есть, в помещении, которое точно будет иметь высокий показатель влажности, очень важно добиться того, чтобы водяные пары не попадали в газоблоки. То есть, при использовании керамической плитки потребуется затирать ее паронепроницаемым составом. Бани и сауны еще более требовательны к поглощению влаги, поэтому для пароизоляции следует применять минвату, пенополиэтилен или другой фольгированный материал.

Актуальным является вопрос дополнительного утепления. Это может быть популярная минвата, штукатурка или другой материал, не важно, так как в любом случае потребуется вычислять сопротивление паропроницания для данной стены.

Тепловые характеристики стен дома из газобетона

Построенные из газобетонных блоков стены отличаются низкой теплопроводностью, за счёт чего они способны прекрасно удерживать тепло в помещениях, обеспечивая комфортный для проживания микроклимат в летнее и зимнее время года.

Сравнение характеристик теплопроводности стен

В качестве примера мы приведём сравнительные показатели газобетонных блоков и традиционно используемого в строительстве керамического щелевого кирпича, который также называют «эффективным кирпичом». Теплопроводность возведённой из такого кирпича стены будет в приделах от 0,35 Вт/(м ‘С) до 0,45 Вт/(м ‘С). Мы будем брать за основу минимальный показатель теплопроводности — 0,35 Вт/(м ‘С). Теплопроводность стены выстроенной из газобетонных блоков марки D400 будет равна 0,10 Вт/(м ‘С). Теплопроводность стены из газобетонных блоков марки D500 будет приблизительно равна 0,12 Вт/(м ‘С).

Даже не обладая большими знаниями в математике, можно прекрасно понять что дом, выстроенный из керамического щелевого кирпича, будет примерно в 4 раза быстрее выпускать тепло, чем дом со стенами такой же толщины, но построенными из газобетонных блоков.

В современном строительстве теплопроводность стен регламентируется нормативным документом — СНиП 23-02-2003. Для того чтобы обеспечить надлежащую теплоэффективность конструкции, в соответствии с данным документом, стена построенная из кирпича должна обладать толщиной не менее 640 миллиметров. Данный показатель предназначен для домов, которые строятся в средней полосе России, где в зимнее время температура воздуха довольно редко опускается ниже -30 Со.

При применении в строительстве стен, блоков газобетона марки D400, обладающих теплопроводностью 0,10 Вт/(м ‘С), их толщина может составлять всего 375 миллиметров, при этом сохраняя необходимое количество тепла в помещениях. Для строительства стен из газобетона марки D500, имеющих теплопроводность 0,12 Вт/(м ‘С), рекомендуемая толщина составляет от 400 до 500мм.

В Москве, в отличие от других регионов нашей страны, строительство стен из силикатного кирпича не рекомендуется. Основной причиной этому служит большая теплопроводность этого вида материала. В связи с чем, в Москве, реальной альтернативой газобетонным блокам служит керамический кирпич и пенобетон.

Поскольку пенобетонные блоки весьма уступают автоклавным газобетонным в качестве, то и более приемлемым в соотношении цены и качества для застройщика будет строительство именно из газобетонных блоков.

И хотя строительство дома из керамического поризованного кирпича выглядит гораздо надёжней, цена подобного будет значительно превышать стоимость строительства из газобетона. Помимо того, в отличие от силикатного кирпича, поризованный обладает меньшей теплопроводностью, но даже при этом он сильно проигрывает газобетонным блокам марок D400 и D500.

Детектор теплопроводности (ДТП) | HiQ

Детектор теплопроводности (ДТП) широко используется в газовой хроматографии. TCD работает за счет наличия двух параллельных трубок, содержащих газовые и нагревательные змеевики. Газы исследуются путем сравнения скорости потери тепла из нагревательных змеевиков в газ. Обычно одна трубка содержит эталонный газ, а исследуемый образец пропускается через другую. Используя этот принцип, TCD определяет изменения теплопроводности выходящего из колонны потока и сравнивает его с эталонным потоком газа-носителя.Большинство соединений имеют теплопроводность намного меньше, чем у обычных газов-носителей водорода или гелия. Следовательно, когда аналит элюируется из колонки, теплопроводность выходящего потока снижается, и создается детектируемый сигнал. Гелий традиционно является предпочтительным газом-носителем, но по мере изменения лабораторных тенденций Linde также может предложить водород в качестве альтернативы гелию в качестве газа-носителя для приложений GC-TCD.

Хотя пламенно-ионизационный детектор (FID) может обеспечить очень хорошее разрешение, TCD является хорошим детектором общего назначения для начальных исследований с неизвестным образцом, поскольку он реагирует на все соединения благодаря тому, что все соединения, органические и неорганические, имеют отличается теплопроводностью от гелия.TCD также используется при анализе постоянных и неорганических газов (например, аргона, кислорода, азота, диоксида углерода, монооксида углерода, диоксида серы), поскольку он реагирует на все эти вещества, в отличие от FID, который не может обнаруживать соединения, не содержащие углерод-водородные связи.

Газовый хроматограф с детектором теплопроводности (ГХ — ТПД)

Смесь калибровочных газов
Предел обнаружения
Рекомендуемый газ
Рекомендуемый регулятор цилиндра

≤ 100 частей на миллион

Калибровочные смеси HiQ BASELINE C106 серии
≤ 1 частей на миллион Калибровочные смеси HiQ REDLINE C200 серии

Теплопроводность

Каждый газ имеет известную теплопроводность — насколько хорошо он передает тепло.Теплопроводность измеряется датчиком, в котором используются четыре согласованных нити, сопротивление которых изменяется в зависимости от теплопроводности газа, проходящего над ним.

Значения теплопроводности некоторых газов можно найти в таблице ниже.

Теплопроводность обычных газов

Газ Теплопроводность
АЦЕТИЛЕН 4,400
АММИАК 5.135
АРГОН 3,880
ДИОКСИД УГЛЕРОДА 3,393
ОКИСЬ УГЛЕРОДА 5,425
ХЛОР 1,829
ЭТАН 4,303
ЭТИЛЕН 4,020
ГЕЛИЙ 33,60
ВОДОРОД 39,60
СУЛЬФИД ВОДОРОДА 3.045
МЕТАН 7.200
НЕОН 10,87
ОКСИД АЗОТА 5,550
АЗОТ 5,680
ОКСИД АЗОТА 3,515
КИСЛОРОД 5,700
ДИОКСИД СЕРЫ 1,950

Принцип работы для анализа теплопроводности

В датчике используются четыре согласованных нити, сопротивление которых изменяется в зависимости от теплопроводности газа, проходящего над ним.Эти четыре нити соединены в конфигурацию моста Уитстона, как показано ниже на Рисунке 1.

Рис. 1. Мост Уитстона детектора теплопроводности

Когда все четыре сопротивления одинаковы, VOUT равен нулю, и мост считается сбалансированным. При установке нуля эталонный газ проходит через все нити, сопротивления будут одинаковыми (поскольку нити согласованы), а мост уравновешен. Когда измеряемый газ проходит через половину перемычки, значение VOUT коррелирует с содержанием измеряемого газа в эталоне.

Детектор представляет собой четырехэлементный катарометр, имеющий два элемента, расположенных в эталонном газе, и два элемента в анализируемом газе, как показано на рисунке 2 ниже.

Рис. 2. Датчик теплопроводности в разрезе.

Четыре элемента соединены электроникой в ​​мостовую схему, и через мост пропускается постоянный ток для нагрева элементов. Если каждый элемент окружен одним и тем же газом, тогда температура и, следовательно, сопротивление каждого элемента будут одинаковыми, и мостовая схема будет сбалансирована.

Рисунок 3. Электрическая схема датчика теплопроводности.

Когда измеряемый газ вводится в поток измеряемого газа, два элемента катарометра в этом потоке газа будут охлаждаться в большей степени, чем два элемента в эталонном газе. Мостовая схема будет несбалансированной, создавая напряжение сигнала, связанное с измерением содержания газа в измеряемом газе. Это отношение нелинейное. В результате программируемый газоанализатор Systech Illinois 542 откалиброван на нулевой, средний и высокий диапазон, а программное обеспечение математически линеаризует кривую.

Теория

Загрузите полное обсуждение уравнений для выходного напряжения моста и теплопроводности ниже.

Приложения

Измерьте содержание газа в образце смеси образец / эталон, сравнив теплопроводность смеси с теплопроводностью эталона.

Например, водород имеет теплопроводность, которая примерно в семь раз больше, чем у азота, поэтому небольшие изменения легко обнаруживаются. Все другие обычные газы имеют теплопроводность, аналогичную азоту, поэтому метод измерения довольно избирательный.

Гелий — единственный другой газ, теплопроводность которого сравнима с водородом.

Другие газы, которые могут быть измерены с помощью этого метода:

  • Двуокись углерода
  • Кислород
  • Аргон
  • Метан
  • Диоксид серы
  • Аммиак

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Многие датчики нельзя использовать для измерения газо-воздушных или газо-кислородных смесей, способных к воспламенению.

Газовый программируемый газоанализатор Systech Illinois 542 используется промышленными газовыми компаниями, компаниями по термообработке металлов и производителями печей.

Область применения — от производства газа высокой чистоты до печной атмосферы.

Примеры и приложения теплопроводности

«Скорость потока тепла через противоположные грани метрового куба вещества, поддерживаемого при разнице температур в один кельвин, называется теплопроводностью этого вещества».

Что такое формула теплопроводности?

Теплопроводность в разных материалах происходит с разной скоростью.В металлах тепло течет быстрее, чем в изоляторах, таких как дерево или резина. Рассмотрим твердый блок:

Одна из двух его противоположных сторон, каждая из которых имеет площадь поперечного сечения A, нагревается до температуры T1. Тепло Q течет по длине L к противоположной стороне при температуре T2 за t секунд.

«Количество тепла, которое течет в единицу времени, называется скоростью потока тепла».

Таким образом, Скорость потока тепла = Q / t ………. (1)

Замечено, что скорость, с которой тепло проходит через твердый объект, зависит от различных факторов.

  • Площадь поперечного сечения твердого тела:

Большая площадь поперечного сечения A твердого тела содержит большее количество молекул и свободных электронов на каждом слое, параллельном его площади поперечного сечения, и, следовательно, больше будет скорость потока тепла через твердые тела. Таким образом:

Скорость потока тепла Q / t ∝ A… .. (2)

Чем больше расстояние между горячим и холодным концом твердых частиц, тем больше потребуется, чтобы проводить тепло к более холодному концу, и скорость потока тепла будет меньше.Таким образом:

Скорость потока тепла Q / t ∝ 1 / л…. (3)

  • Разница температур между концами

Большая разница температур (T1 — T2) между горячим и холодные грани твердых тел, тем больше будет скорость потока тепла. Таким образом:

Скорость потока тепла составляет Q / t ∝ (T1 — T2)…. (4)

Сочетая вышеуказанные факторы, мы получить:

Q / t ∝ A (T1 -T2) / L

Расход тепла Q / t = KA (T1 — T2) / L….. (5)

Здесь K — константа пропорциональности, называемая теплопроводностью твердых тел. Ее значение зависит от природы вещества и различается для разных материалов. Из приведенного выше уравнения (5) мы находим K как:

K = Q / t × L / A (T1 — T2)… .. (6)

Примеры теплопроводности

Примеры теплопроводности некоторых веществ приведены в таблице:

Следите за обновлениями на сайте Physicsabout.com по связанным темам, которые приведены ниже.
Проводимость тепла
Конвенция тепла
Излучение тепла

Руководство по выбору датчиков теплопроводности

Продукты и услуги

  • Все
  • Новости и аналитика
  • Продукты и услуги
  • Библиотека стандартов
  • Справочная библиотека
  • Сообщество

ПОДПИСАТЬСЯ

АВТОРИЗОВАТЬСЯ

Я забыл свой пароль.

Нет учетной записи?

Зарегистрируйтесь здесь.

Дом

Новости и аналитика

Последние новости и аналитика
Аэрокосмическая промышленность и оборона
Автомобильная промышленность
Строительство и Строительство
Потребитель
Электроника
Энергия и природные ресурсы
Окружающая среда, здоровье и безопасность
Еда и напитки
Естественные науки
Морской
Материалы и химикаты
Цепочка поставок
Пульс360
При поддержке AWS Welding Digest

Товары

Строительство и Строительство
Сбор данных и обработка сигналов
Электрика и электроника
Контроль потока и передача жидкости
Жидкая сила
Оборудование для обработки изображений и видео
Промышленное и инженерное программное обеспечение
Промышленные компьютеры и встраиваемые системы
Лабораторное оборудование и научные инструменты
Производственное и технологическое оборудование
Погрузочно-разгрузочное и упаковочное оборудование

Теплопроводность — Infogalactic: ядро ​​планетарных знаний

В физике теплопроводность (часто обозначается k , λ или κ ) — это свойство материала проводить тепло.Он оценивается в первую очередь с точки зрения закона Фурье для теплопроводности.

Теплопередача происходит с меньшей скоростью через материалы с низкой теплопроводностью, чем через материалы с высокой теплопроводностью. Соответственно, материалы с высокой теплопроводностью широко используются в теплоотводах, а материалы с низкой теплопроводностью используются в качестве теплоизоляции. Теплопроводность материала может зависеть от температуры. Величина, обратная теплопроводности, называется удельным тепловым сопротивлением.

Теплопроводность на самом деле является тензором, а это означает, что в разных направлениях могут быть разные значения. См. # Тепловая анизотропия ниже.

Единицы теплопроводности

В единицах СИ теплопроводность измеряется в ваттах на метр кельвин (Вт / (м · К)). Размер теплопроводности составляет M 1 L 1 T −3 Θ −1 . Этими переменными являются (M) масса, (L) длина, (T) время и (Θ) температура. В британских единицах измерения теплопроводность измеряется в БТЕ / (ч · фут⋅ ° F). [примечание 1] [1]

Другие единицы измерения, которые тесно связаны с теплопроводностью, широко используются в строительстве и текстильной промышленности. В строительной отрасли используются такие единицы измерения, как R-значение (сопротивление) и U-значение (проводимость). Хотя они связаны с теплопроводностью материала, используемого в изоляционном продукте, значения R и U зависят от толщины продукта. [примечание 2]

Точно так же в текстильной промышленности есть несколько единиц, включая tog и clo, которые выражают тепловое сопротивление материала способом, аналогичным R-значениям, используемым в строительной индустрии.

Измерение

Основная статья: Измерение теплопроводности

Есть несколько способов измерения теплопроводности. Каждый из них подходит для ограниченного диапазона материалов в зависимости от тепловых свойств и температуры среды. Есть различие между установившимися и переходными методами.

В общем, стационарные методы полезны, когда температура материала не изменяется со временем. Это упрощает анализ сигналов (устойчивое состояние подразумевает постоянные сигналы).Недостатком является то, что обычно требуется хорошо спроектированная экспериментальная установка. Разделенный стержень (различных типов) — это наиболее распространенное устройство, используемое для твердых твердых пород.

Экспериментальные значения

Экспериментальные значения теплопроводности.

Основная статья: Список теплопроводностей

Теплопроводность важна в материаловедении, исследованиях, электронике, теплоизоляции зданий и смежных областях, особенно там, где достигаются высокие рабочие температуры. Несколько материалов показаны в списке теплопроводности.Их следует считать приблизительными из-за неопределенностей, связанных с определениями материалов.

Высокие показатели выработки энергии в электронике или турбинах требуют использования материалов с высокой теплопроводностью, таких как медь (см. Медь в теплообменниках) , алюминий и серебро. С другой стороны, материалы с низкой теплопроводностью, такие как полистирол и оксид алюминия, используются в строительстве или в печах, чтобы замедлить поток тепла, т.е.в целях изоляции.

Определения

Обратная величина теплопроводности равна , удельное тепловое сопротивление , обычно выражается в кельвин-метрах на ватт (К · м · Вт -1 ). Для заданной толщины материала можно рассчитать тепловое сопротивление этой конкретной конструкции и взаимное свойство теплопроводность . К сожалению, эти термины имеют разные определения.

Теплопроводность, k , часто зависит от температуры.Следовательно, приведенные ниже определения имеют смысл, когда теплопроводность не зависит от температуры. В противном случае необходимо учитывать репрезентативное среднее значение; для получения дополнительной информации см. раздел уравнений ниже.

Электропроводность

Для общего научного использования, теплопроводность — это количество тепла, которое проходит в единицу времени через пластину определенной площади и толщиной , когда ее противоположные стороны отличаются по температуре на один кельвин. Для пластины с теплопроводностью k , площадью A и толщиной L рассчитанная проводимость составляет кА / л , измеренная в Вт · K -1 (эквивалент: Вт / ° C).Теплопроводность этой конкретной конструкции обратно пропорциональна тепловому сопротивлению. Теплопроводность и проводимость аналогичны электрической проводимости (А · м -1 · В -1 ) и электрической проводимости (А · В -1 ).

Существует также мера, известная как коэффициент теплопередачи: количество тепла, которое проходит за единицу времени через единиц площади пластины определенной толщины, когда ее противоположные стороны отличаются по температуре на один кельвин.Ответная — по теплоизоляции . Итого:

  • теплопроводность = кА / L , измеренная в Вт · К −1
    • тепловое сопротивление = L / ( кА ), измеренная в K · Вт −1 (эквивалент: ° C / Вт)
  • коэффициент теплопередачи = k / L , измеренный в Вт · K -1 · м -2
    • теплоизоляция = L / k , измеренный в K · м 2 · W -1 .

Коэффициент теплопередачи также известен как теплопроводность в том смысле, что материал может рассматриваться как пропускающий тепло для потока.

Сопротивление

Основная статья: Термическое сопротивление

Термическое сопротивление — это способность материала сопротивляться потоку тепла.

Тепловое сопротивление — это величина, обратная теплопроводности, т. Е. Понижение его значения приведет к увеличению теплопроводности и наоборот.

Когда термические сопротивления возникают последовательно, они равны добавке .Таким образом, когда тепло протекает последовательно через два компонента, каждый с сопротивлением 3 ° C / Вт, общее сопротивление составляет 3 + 3 = 6 ° C / Вт.

Общая проблема инженерного проектирования включает выбор радиатора подходящего размера для данного источника тепла. Работа в единицах термического сопротивления значительно упрощает расчет конструкции. Для оценки производительности можно использовать следующую формулу:

где:

  • R hs — максимальное тепловое сопротивление радиатора окружающей среде, ° C / Вт (эквивалент K / Вт)
  • Δ T — необходимая разница температур (перепад температуры), ° C
  • P th — тепловая мощность (тепловой поток), в ваттах
  • R с — тепловое сопротивление источника тепла, ° C / Вт

Например, если компонент вырабатывает 100 Вт тепла и имеет тепловое сопротивление 0.5 ° C / Вт, какое максимальное тепловое сопротивление радиатора? Предположим, максимальная температура составляет 125 ° C, а температура окружающей среды — 25 ° C; тогда Δ T составляет 100 ° C. Тепловое сопротивление радиатора окружающей среде должно тогда составлять 0,5 ° C / Вт или менее (в этом случае общая составляющая сопротивления и радиатор составляют 1,0 ° C / Вт).

Коэффициент пропускания

Третий член, коэффициент теплопередачи , количественно определяет теплопроводность конструкции вместе с теплопередачей за счет конвекции и излучения.Он измеряется в тех же единицах, что и теплопроводность, и иногда известен как теплопроводность композита . Часто используется термин U-значение .

Вход

Теплопроводность материала, такого как строительная ткань, является мерой способности материала передавать тепло при наличии разницы температур на противоположных сторонах материала. Теплопроводность измеряется в тех же единицах, что и коэффициент теплопередачи, мощность (ватты) на единицу площади (квадратных метров) при изменении температуры (кельвин).Теплопроводность строительной ткани влияет на тепловую реакцию здания на изменение внешней температуры. [2]

Факторы влияния

Температура

Влияние температуры на теплопроводность различно для металлов и неметаллов. В металлах проводимость в первую очередь обусловлена ​​свободными электронами. Следуя закону Видемана – Франца, теплопроводность металлов приблизительно пропорциональна абсолютной температуре (в кельвинах), умноженной на электрическую проводимость.В чистых металлах электропроводность уменьшается с повышением температуры, и, таким образом, произведение двух, теплопроводность, остается примерно постоянным. В сплавах изменение электропроводности обычно меньше, и поэтому теплопроводность увеличивается с температурой, часто пропорционально температуре.

С другой стороны, теплопроводность неметаллов в основном обусловлена ​​колебаниями решетки (фононами). За исключением кристаллов высокого качества при низких температурах, длина свободного пробега фононов существенно не уменьшается при более высоких температурах.Таким образом, теплопроводность неметаллов примерно постоянна при высоких температурах. При низких температурах, значительно ниже температуры Дебая, теплопроводность уменьшается, как и теплоемкость.

Химическая фаза

Когда материал претерпевает фазовый переход из твердого состояния в жидкость или из жидкости в газ, теплопроводность может измениться. Примером этого может быть изменение теплопроводности, которое происходит, когда лед (теплопроводность 2,18 Вт / (м · К) при 0 ° C) тает с образованием жидкой воды (теплопроводность 0.56 Вт / (м · К) при 0 ° C). [3]

Термическая анизотропия

Некоторые вещества, такие как некубические кристаллы, могут проявлять различную теплопроводность вдоль разных осей кристалла из-за различий в фононной связи вдоль данной оси кристалла. Сапфир является ярким примером переменной теплопроводности в зависимости от ориентации и температуры: 35 Вт / (м · К) по оси C и 32 Вт / (м · K) по оси A. [4] Древесина обычно лучше ведет себя вдоль волокон, чем поперек.

Когда присутствует анизотропия, направление теплового потока может не совпадать с направлением теплового градиента.

Электропроводность

В металлах теплопроводность приблизительно соответствует электропроводности в соответствии с законом Видемана – Франца, поскольку свободно движущиеся валентные электроны переносят не только электрический ток, но и тепловую энергию. Однако общая корреляция между электропроводностью и теплопроводностью не сохраняется для других материалов из-за повышенного значения фононных носителей для тепла в неметаллах.Серебро с высокой электропроводностью менее теплопроводно, чем алмаз, который является электрическим изолятором, но из-за упорядоченного набора атомов он проводит тепло через фононы.

Магнитное поле

Влияние магнитных полей на теплопроводность известно как эффект Риги-Ледука.

Конвекция

Керамические покрытия с низкой теплопроводностью используются в выхлопных системах для предотвращения попадания тепла на чувствительные компоненты.

Воздух и другие газы, как правило, являются хорошими изоляторами при отсутствии конвекции.Следовательно, многие изоляционные материалы функционируют просто за счет наличия большого количества заполненных газом карманов, которые предотвращают крупномасштабную конвекцию. Примеры таких материалов включают вспененный и экструдированный полистирол (обычно называемый «пенополистиролом») и кремнеземный аэрогель, а также теплую одежду. Природные биологические изоляторы, такие как мех и перья, достигают аналогичного эффекта, резко подавляя конвекцию воздуха или воды вблизи кожи животного.

Легкие газы, такие как водород и гелий, обычно обладают высокой теплопроводностью.Плотные газы, такие как ксенон и дихлордифторметан, обладают низкой теплопроводностью. Исключение составляет гексафторид серы, плотный газ, который имеет относительно высокую теплопроводность из-за своей высокой теплоемкости. Аргон, газ, более плотный, чем воздух, часто используется в стеклопакетах (окнах с двойным остеклением) для улучшения их изоляционных характеристик.

Физическое происхождение

Тепловой поток чрезвычайно сложно контролировать и изолировать в лабораторных условиях. На атомном уровне нет простых правильных выражений для теплопроводности.С атомной точки зрения теплопроводность системы определяется тем, как атомы, составляющие систему, взаимодействуют. Существует два разных подхода к расчету теплопроводности системы.

  • Первый подход использует отношения Грина-Кубо. Хотя здесь используются аналитические выражения, которые, в принципе, можно решить, расчет теплопроводности плотной жидкости или твердого тела с использованием этого соотношения требует использования компьютерного моделирования молекулярной динамики.
  • Второй подход основан на подходе времени релаксации.Известно, что из-за ангармонизма внутри кристаллического потенциала фононы в системе рассеиваются. Есть три основных механизма рассеяния:
    • Граничное рассеяние, попадание фонона на границу системы;
    • Рассеяние на дефекте массы, удар фонона о примесь внутри системы и рассеяние;
    • Фонон-фононное рассеяние, фонон распадается на два фонона с более низкой энергией или фонон сталкивается с другим фононом и сливается с одним фононом с более высокой энергией.

Волны решетки

Теплообмен как в аморфных, так и в кристаллических диэлектрических твердых телах осуществляется за счет упругих колебаний решетки (фононов). Этот транспортный режим ограничен упругим рассеянием акустических фононов на дефектах решетки. Эти предсказания были подтверждены экспериментами Чанга и Джонса на промышленных стеклах и стеклокерамике, где длина свободного пробега ограничивалась «рассеянием на внутренней границе» до масштабов от 10 -2 см до 10 -3 см. [5] [6]

Длина свободного пробега фононов была напрямую связана с эффективной длиной релаксации для процессов без направленной корреляции. Если V g — групповая скорость фононного волнового пакета, то длина релаксации определяется как:

, где t — характерное время релаксации. Поскольку продольные волны имеют гораздо большую фазовую скорость, чем поперечные волны, V long намного больше, чем V trans , и длина релаксации или длина свободного пробега продольных фононов будет намного больше.Таким образом, теплопроводность будет во многом определяться скоростью продольных фононов. [5] [7]

Что касается зависимости скорости волны от длины волны или частоты (дисперсии), то низкочастотные длинноволновые фононы будут ограничены по длине релаксации упругим рассеянием Рэлея. Этот тип рассеяния света мелкими частицами пропорционален четвертой степени частоты. Для более высоких частот мощность частоты будет уменьшаться до тех пор, пока на самых высоких частотах рассеяние не станет почти независимым от частоты.Впоследствии аналогичные аргументы были обобщены на многие стеклообразующие вещества с использованием рассеяния Бриллюэна. [8] [9] [10] [11]

Фононы в акустической ветви доминируют в фононной теплопроводности, поскольку они обладают большей дисперсией энергии и, следовательно, большим распределением фононных скоростей. Дополнительные оптические моды также могут быть вызваны наличием внутренней структуры (т.е. заряда или массы) в точке решетки; подразумевается, что групповая скорость этих мод мала и поэтому их вклад в решеточную теплопроводность λ L ( L ) мал. [12]

Каждая фононная мода может быть разделена на одну продольную и две поперечные поляризационные ветви. Путем экстраполяции феноменологии узлов решетки на элементарные ячейки видно, что общее количество степеней свободы равно 3pq, когда p — количество примитивных ячеек с q атомами на элементарную ячейку. Из них только 3p связаны с акустическими модами, остальные 3p (q-1) размещаются через оптические ветви. Это означает, что структуры с большими p и q содержат большее количество оптических мод и уменьшенную λ L .

Из этих идей можно сделать вывод, что возрастающая сложность кристалла, которая описывается коэффициентом сложности CF (определяемым как количество атомов на элементарную элементарную ячейку), уменьшает λ L . Мишлен Руфосс и П.Г. Клеменс вывел точную пропорциональность в своей статье «Теплопроводность сложных диэлектрических кристаллов при физике». Ред. В 7, 5379–5386 (1973). Это было сделано путем предположения, что время релаксации τ уменьшается с увеличением числа атомов в элементарной ячейке, а затем соответственно масштабировали параметры выражения для теплопроводности при высоких температурах. [12]

Описание ангармонических эффектов затруднено, потому что точное рассмотрение, как в гармоническом случае, невозможно, и фононы больше не являются точными собственными решениями уравнений движения. Даже если бы состояние движения кристалла можно было описать плоской волной в конкретный момент времени, его точность со временем постепенно ухудшалась бы. Развитие во времени нужно было бы описать, введя спектр других фононов, который известен как фононный распад.Двумя наиболее важными ангармоническими эффектами являются тепловое расширение и фононная теплопроводность.

Только когда фононное число ‹n› отклоняется от равновесного значения ‹n› 0 , может возникнуть тепловой ток, как указано в следующем выражении

где v — скорость переноса энергии фононов. Существуют только два механизма, которые могут вызвать изменение ‹n› во времени в конкретном регионе. Количество фононов, которые диффундируют в область из соседних областей, отличается от тех, которые диффундируют наружу, или фононы распадаются внутри той же области на другие фононы.Специальная форма уравнения Больцмана

утверждает это. Когда предполагаются стационарные условия, полное производное по времени от числа фононов равно нулю, поскольку температура постоянна во времени и, следовательно, число фононов также остается постоянным. Изменение времени из-за распада фонона описывается приближением времени релаксации (τ)

, в котором говорится, что чем больше фононное число отклоняется от своего равновесного значения, тем больше увеличивается его изменение во времени.В установившемся режиме и предполагается локальное тепловое равновесие, мы получаем следующее уравнение

Используя приближение времени релаксации для уравнения Больцмана и предполагая стационарные условия, можно определить фононную теплопроводность λ L . Температурная зависимость для λ L возникает из-за множества процессов, значение которых для λ L зависит от интересующего температурного диапазона. Средняя длина свободного пробега является одним из факторов, определяющих температурную зависимость для λ L , как указано в следующем уравнении

где Λ — длина свободного пробега фонона, а означает теплоемкость.Это уравнение является результатом объединения четырех предыдущих уравнений друг с другом и знания того, что для кубических или изотропных систем и. [13]

При низких температурах (<10 K) ангармоническое взаимодействие не влияет на длину свободного пробега, и поэтому тепловое сопротивление определяется только из процессов, для которых не выполняется сохранение q. Эти процессы включают рассеяние фононов на дефектах кристалла или рассеяние от поверхности кристалла в случае высококачественного монокристалла.Следовательно, теплопроводность зависит от внешних размеров кристалла и качества поверхности. Таким образом, температурная зависимость λ L определяется удельной теплоемкостью и, следовательно, пропорциональна T 3 . [13]

Квазиимпульс фонона определяется как ℏq и отличается от нормального импульса, потому что он определяется только внутри произвольного вектора обратной решетки. При более высоких температурах (10 K q 1 — волновой вектор падающего фонона, а q 2 , q 3 — волновые векторы образующихся фононов может также включать вектор обратной решетки G , усложняя процесс переноса энергии.Эти процессы также могут изменить направление переноса энергии.

Таким образом, эти процессы также известны как процессы Umklapp (U) и могут происходить только при возбуждении фононов с достаточно большими q-векторами, потому что, если только сумма q 2 и q 3 точек вне В зоне Бриллюэна импульс сохраняется и идет процесс нормального рассеяния (N-процесс). Вероятность того, что фонон получит энергию E, дается распределением Больцмана.Чтобы U-процесс происходил, затухающий фонон должен иметь волновой вектор q 1 , который составляет примерно половину диаметра зоны Бриллюэна, потому что в противном случае квазиимпульс не сохранялся бы.

Следовательно, эти фононы должны обладать энергией, которая составляет значительную часть дебаевской энергии, необходимой для генерации новых фононов. Вероятность этого пропорциональна, с. Температурная зависимость длины свободного пробега имеет экспоненциальный вид. Наличие волнового вектора обратной решетки подразумевает суммарное обратное рассеяние фононов и сопротивление фононному и тепловому переносу, что приводит к конечным λ L , [12] , поскольку это означает, что импульс не сохраняется.Только процессы, не сохраняющие импульс, могут вызвать тепловое сопротивление. [13]

При высоких температурах (T> Θ) длина свободного пробега и, следовательно, λ L имеет температурную зависимость T −1 , к которой можно прийти из формулы, сделав следующее приближение и записав. Эта зависимость известна как закон Ойкена и возникает из температурной зависимости вероятности возникновения U-процесса. [12] [13]

Теплопроводность обычно описывается уравнением Больцмана с приближением времени релаксации, в котором рассеяние фононов является ограничивающим фактором.Другой подход заключается в использовании аналитических моделей, молекулярной динамики или методов, основанных на Монте-Карло, для описания теплопроводности твердых тел.

Коротковолновые фононы сильно рассеиваются на примесных атомах, если присутствует легированная фаза, но средне- и длинноволновые фононы подвержены меньшему влиянию. Средне- и длинноволновые фононы переносят значительную часть тепла, поэтому для дальнейшего уменьшения теплопроводности решетки необходимо ввести структуры для рассеивания этих фононов. Это достигается за счет введения механизма межфазного рассеяния, для которого требуются структуры, характерная длина которых больше, чем у примесного атома.Некоторые возможные способы реализации этих интерфейсов — нанокомпозиты и встроенные наночастицы / структуры. [14]

Электронная теплопроводность

Горячие электроны из состояний с более высокой энергией несут больше тепловой энергии, чем холодные электроны, в то время как электрическая проводимость довольно нечувствительна к распределению энергии носителей, потому что количество заряда, которое несут электроны, не зависит от их энергии. Это физическая причина большей чувствительности электронной теплопроводности к энергетической зависимости плотности состояний и времени релаксации соответственно. [12]

Махан и Софо ( PNAS 1996 93 (15) 7436-7439) показали, что материалы с определенной электронной структурой имеют пониженную электронную теплопроводность. На основе их анализа можно показать, что если плотность электронных состояний в материале близка к дельта-функции, электронная теплопроводность падает до нуля. Взяв в качестве отправной точки следующее уравнение, где λ 0 — это электронная теплопроводность, когда градиент электрохимического потенциала внутри образца равен нулю.На следующем этапе транспортные коэффициенты записываются как

,
,

где и a 0 радиус Бора. Безразмерные интегралы I n определяются как

,

, где s ( x ) — безразмерная транспортная функция распределения. Интегралы I n — моменты функции

,

, где x — энергия носителей.Подставляя предыдущие формулы для коэффициента переноса в уравнение для λ E , мы получаем следующее уравнение

.

Из предыдущего уравнения мы видим, что λ E , чтобы быть равным нулю, член в скобках, содержащий I n членов, должен быть равен нулю. Если теперь предположить, что

,

, где δ — дельта-функция Дирака, I n членов получают следующие выражения

,
,
.

Подставляя эти выражения в уравнение для λ E , мы видим, что оно обращается в ноль. Следовательно, P ( x ) должен быть дельта-функцией. [14]

Уравнения

В изотропной среде теплопроводность — это параметр k в выражении Фурье для теплового потока

где — тепловой поток (количество тепла, протекающего в секунду на единицу площади) и градиент температуры.Знак в выражении выбирается так, чтобы всегда k > 0, так как тепло всегда течет от высокой температуры к низкой. Это прямое следствие второго начала термодинамики.

В одномерном случае q = H / A с H количество тепла, протекающего в секунду через поверхность с площадью A и температурным градиентом d T / d x т.

В случае термоизолированной шины (кроме концов) в установившемся состоянии H постоянно.Если A также является константой, выражение можно интегрировать с результатом

, где T H и T L — температуры на горячем и холодном концах соответственно, а L — это длина стержня. Удобно ввести интеграл теплопроводности

Тогда скорость теплового потока определяется как

Если разница температур небольшая, k можно принять за постоянную величину.В таком случае

Простое кинетическое изображение

В этом разделе мы получим выражение для теплопроводности. Рассмотрим газ с жесткими взаимодействиями, но с незначительным объемом в пределах вертикального градиента температуры. Верхняя сторона горячая, а нижняя холодная. Существует нисходящий поток энергии, потому что атомы газа, идущие вниз, имеют более высокую энергию, чем атомы, идущие вверх. Чистый поток энергии в секунду — это тепловой поток H .Тепловой поток пропорционален количеству частиц, которые пересекают область A в секунду. Это число пропорционально произведению nvA , где n — плотность частиц, а v — средняя скорость частиц. Величина теплового потока также будет пропорциональна количеству энергии, переносимой на частицу, таким образом, с теплоемкостью на частицу c и некоторой характеристической разностью температур Δ T . Пока у нас

Единица измерения для H — Дж / с, а в правой части это (частиц / м 3 ) • (м / с) • (Дж / (K • частиц)) • (м 2 ) • (K) = Дж / с, так что это уже правильный размер.Отсутствует только числовой коэффициент. За Δ T берем разность температур газа между двумя столкновениями

, где l — длина свободного пробега. Детальные кинетические расчеты [15] показывают, что числовой коэффициент равен -1/3, так что всего

Сравнение с одномерным выражением для теплового потока, приведенным выше, дает в качестве окончательного результата

Плотность частиц и теплоемкость на одну частицу можно объединить как теплоемкость на единицу объема

т.

, где C V — молярная теплоемкость при постоянном объеме, а V м — молярный объем.

Для газа с твердым сердечником длина свободного пробега равна

.

, где σ — сечение столкновения. Итак

Теплоемкость на частицу c и сечение σ не зависят от температуры, поэтому температурная зависимость k определяется зависимостью T для v . Для одноатомного газа с атомной массой M , v равно

.

Так

Это выражение также показывает, почему газы с малой массой (водород, гелий) обладают высокой теплопроводностью.

Для металлов при низких температурах тепло переносится в основном свободными электронами. В этом случае средняя скорость — это скорость Ферми, которая не зависит от температуры. Длина свободного пробега определяется примесями и дефектами кристалла, которые также не зависят от температуры. Таким образом, единственная величина, зависящая от температуры, — это теплоемкость c , которая в данном случае пропорциональна T . Итак

с k 0 константа.Для чистых металлов, таких как медь, серебро и т. Д. l большой, поэтому теплопроводность высокая. При более высоких температурах длина свободного пробега ограничена фононами, поэтому теплопроводность имеет тенденцию уменьшаться с температурой. В сплавах плотность примесей очень высока, поэтому l и, следовательно, k , малы. Поэтому для теплоизоляции можно использовать сплавы, такие как нержавеющая сталь.

См. Также

Список литературы

Примечания
  1. ↑ 1 БТЕ / (ч · фут · фут · фут) = 1.730735 Вт / (м · К)
  2. ↑ Значения R и U, указанные в США (на основе имперских единиц измерения), не соответствуют и несовместимы с теми, которые используются за пределами США (на основе единиц измерения СИ).
Список литературы
  1. Perry, R.H .; Грин, Д. У., ред. (1997). Справочник инженеров-химиков Перри (7-е изд.). Макгроу-Хилл. Таблица 1–4. ISBN 978-0-07-049841-9 .
  2. «Тепловая масса в зданиях». Reidsteel. Проверено 23 января 2013 г.
  3. ↑ NIST: Стандартные справочные данные по теплопроводности воды
  4. «Сапфир, Al 2 O 3 «. Алмаз Оптика. Проверено 15 августа 2012.
  5. 5.0 5,1 Клеменс П.Г. (1951). «Теплопроводность твердых диэлектрических тел при низких температурах». Труды Лондонского королевского общества A . 208 (1092): 108. Bibcode: 1951RSPSA.208..108K. DOI: 10.1098 / rspa.1951.0147.
  6. Chan, G.K .; Джонс, Р. Э. (1962). «Низкотемпературная теплопроводность аморфных тел». Физический обзор . 126 (6): 2055. Bibcode: 1962PhRv..126.2055C. DOI: 10.1103 / PhysRev.126.2055.
  7. Померанчук И. (1941). «Теплопроводность парамагнитных диэлектриков при низких температурах». Физический журнал (Москва) . 4 : 357. ISSN 0368-3400.
  8. Целлер Р.C .; Поль Р. О. (1971). «Теплопроводность и удельная теплоемкость некристаллических тел». Физический обзор B . 4 (6): 2029. Bibcode: 1971PhRvB … 4.2029Z. DOI: 10.1103 / PhysRevB.4.2029.
  9. Любовь, У. Ф. (1973). «Низкотемпературное тепловое рассеяние Бриллюэна в плавленом кварце и боросиликатном стекле». Письма о физических проверках . 31 (13): 822. Bibcode: 1973PhRvL..31..822L. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.31.822.
  10. Zaitlin, M. P .; Андерсон, М.С. (1975). «Фононный теплоперенос в некристаллических материалах». Физический обзор B . 12 (10): 4475. Bibcode: 1975PhRvB..12.4475Z. DOI: 10.1103 / PhysRevB.12.4475.
  11. Zaitlin, M. P .; Шерр, Л.М .; Андерсон, М.С. (1975). «Граничное рассеяние фононов в некристаллических материалах». Физический обзор B . 12 (10): 4487. Bibcode: 1975PhRvB..12.4487Z. DOI: 10.1103 / PhysRevB.12.4487.
  12. 12,0 12,1 12,2 12,3 12,4 Pichanusakorn, P .; Бандару, П. (2010). «Наноструктурированные термоэлектрики». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты . 67 (2–4): 19–63. DOI: 10.1016 / j.mser.2009.10.001.
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 Ibach, H .; Лут, Х. (2009). Физика твердого тела: Введение в основы материаловедения . Springer. ISBN 978-3-540-93803-3 .
  14. 14.0 14,1 Minnich, A. J .; Dresselhaus, M. S .; Ren, Z. F .; Чен, Г. (2009). «Объемные наноструктурированные термоэлектрические материалы: текущие исследования и перспективы на будущее». Энергетика и экология . 2 (5): 466–479. DOI: 10.1039 / b822664b.
  15. Киттель, С .; Кремер, Х. (1980). Теплофизика . В. Х. Фриман и компания. Глава 14.ISBN 978-0716710882 .

Дополнительная литература

  • Каллистер, Уильям (2003). «Приложение Б». Материаловедение и инженерия — Введение . Джон Вили и сыновья. п. 757. ISBN 0-471-22471-5 .
  • Холлидей, Дэвид; Резник, Роберт; И Уокер, Джерл (1997). Основы физики (5-е изд.). John Wiley and Sons, ISBN Нью-Йорка 0-471-10558-9.
  • Шривастава Г. П (1990), Физика фононов . Адам Хилгер, IOP Publishing Ltd, Бристоль.
  • TM 5-852-6 AFR 88-19, том 6 (публикация армейского корпуса инженеров)
  • Reid, C. R., Prausnitz, J. M., Poling B. E., Свойства газов и жидкостей , IV издание, Mc Graw-Hill, 1987
  • R. Joven, R. Das, A. Ahmed, P. Roozbehjavan, B. Minaie, «Термические свойства углеродного волокна / эпоксидных композитов с различным тканевым переплетением», in: SAMPE International Symposium Proceedings, Charleston, SC; 2012

Внешние ссылки

Теплопроводность — Energy Education

Теплопроводность , часто обозначаемая как [math] \ kappa [/ math], — это свойство, которое связывает скорость потери тепла на единицу площади материала со скоростью его изменения температуры.{\ circ} F} \ right) [/ math]. [3] Материалы с более высокой теплопроводностью являются хорошими проводниками тепловой энергии.

Поскольку теплопередача посредством теплопроводности включает в себя передачу энергии без движения материала, логично, что скорость передачи тепла будет зависеть только от разницы температур между двумя точками и теплопроводности материала.

Для получения дополнительной информации о теплопроводности см. Гиперфизика.

Значения для общих материалов

Теплопроводность, [математика] \ каппа [/ математика] [4]
Материал Электропроводность при 25 o C
Акрил 0.2
Воздух 0,024
Алюминий 205
Битум 0,17
Латунь 109
Цемент 1,73
Медь 401
Алмаз 1000
Войлок 0,04
Стекло 1,05
Утюг 80
Кислород 0.024
Бумага 0,05
Кремнеземный аэрогель 0,02
Вакуум 0
Вода 0,58

Из таблицы справа видно, что большинство материалов, которые обычно считаются хорошими проводниками, обладают высокой теплопроводностью. В основном металлы обладают очень высокой теплопроводностью, которая хорошо сопоставима с тем, что известно о металлах.Кроме того, изоляционные материалы, такие как аэрогель и изоляция, используемые в домах, имеют низкую теплопроводность, что указывает на то, что они не пропускают тепло через себя легко. Таким образом, низкая теплопроводность свидетельствует о хорошем изоляционном материале.

Промежуточные материалы не обладают значительными изолирующими или проводящими свойствами. Цемент и стекло не проводят слишком большое количество тепла и не обладают хорошей изоляцией.

Идея о том, что теплопроводность определенных материалов связана с тем, насколько хорошо они изолируют, обеспечивает связь между теплопроводностью и значениями R / U.Поскольку значения U и R отражают, насколько хорошо определенный материал сопротивляется потоку тепла, теплопроводность играет роль в формировании этих значений. Однако значения U и R также зависят от толщины материала, тогда как теплопроводность этого не учитывает.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. ↑ HyperPhysics. (12 мая 2015 г.). Теплопроводность [Онлайн]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
  2. ↑ Р. Чабай, Б. Шервуд. (12 мая 2015 г.). Материя и взаимодействия , 3-е изд., Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, 2011
  3. ↑ Д. Грин, Р. Перри. (12 мая 2015 г.). Справочник инженеров-химиков Perry , 7-е изд., McGraw-Hill, 1997.
  4. ↑ The Engineering Toolbox. (12 мая 2015 г.). Теплопроводность обычных материалов и газов [Онлайн]. Доступно: http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

*

*