Теплопроводность и теплоемкость

Теплопроводность — способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы).

Теплопроводность характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей в течение 1 ч через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м², при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях в 1 К. Теплопроводность обозначают буквой λ (лямбда) и выражают в Вт/(м·К). К теплоизоляционным относят материалы с теплопроводностью не более 0,175 Вт/(м·К) при средней температуре слоя 298 К и влажностью, нормированной ГОСТами или ТУ [8].

Теплопроводность зависит от средней плотности материала (с увеличением средней плотности теплопроводность возрастает), его структуры, пористости, влажности и средней температуры слоя материала Чем выше пористость (меньше средняя плотность) материала, тем ниже теплопроводность. С увеличением влажности материала теплопроводность резко возрастает, при этом понижаются его теплоизоляционные свойства. Поэтому все теплоизоляционные материалы хранят в помещении или под навесом, а в теплоизоляционной конструкции защищают от попадания влаги покровным слоем.

Зависимость теплопроводности λ от средней температуры теплоизоляционного слоя можно выразить в виде линейной функции:

λ = λ₀ + b·t_ср,

где λ₀ — теплопроводность при 273 К, Вт/(м·К);

b — постоянная для данного материала величина, показывающая изменение теплопроводности при увеличении температуры на 1 К (принимается по справочным данным);

t_ср = (t_l - t₂)/2 — средняя температура теплоизоляционного слоя, К.

t_l, t₂ — температура соответственно наружной и внутренней поверхностей теплоизоляционного слоя, К [3].

Из формулы видно, что с увеличением средней температуры теплоизоляционного слоя и постоянной b теплопроводность материала возрастает. Чем меньше плотность теплоизоляционного материала, тем больше значение b.

Теплоемкость — способность материала при нагревании поглощать теплоту. Теплоемкость определяется отношением количества теплоты, сообщаемой телу, к соответствующему изменению температуры:

С= Q/T,

где С — теплоемкость тела, Дж/К;

Q — количество теплоты, сообщаемое телу, Дж;

Т — изменение температуры при нагревании тела, К.

Удельной теплоемкостью называется отношение теплоемкости к массе тела:

с = С/m,

где с — удельная теплоемкость тела, Дж/(кг·К);

m — масса тела, кг.

Теплоустойчивость

Теплоустойчивость — способность материалов сохранять свои основные свойства при воздействии положительных (температуростойкость, температуроустойчивость, теплостойкость) или отрицательных (хрупкость, морозостойкость) температур.

Температуростойкость (предельная положительная температура применения) — способность материала сохранять свои свойства (структуру, прочность, теплопроводность и т. д.) при повышенной температуре. Температуростойкость различных теплоизоляционных материалов различна. Так, для пенопластов температуростойкость составляет 60 ÷ 150 ˚С, а для диатомитовых изделий — 900 ˚С [3].

Температуроустойчивость гидроизоляционных рулонных материалов (ГОСТ 2678-94) характеризуется максимальной температурой, при которой отсутствует смещение покровного слоя или вздутие. Материалы, применяемые для гидроизоляционных конструкций, должны не терять свои свойства (размягчаться, расслаиваться) при повышенных температурах или не быть хрупкими при отрицательных температурах. Так, температуроустойчивость должна быть не ниже 40 ˚С (для гидроизоляционных конструкций), а для надземных конструкций и кровли — не ниже 60 ÷ 70 ˚С [8].

Теплостойкость — способность теплоизоляционных материалов выдерживать без изменения структуры и разрушения периодические колебания температуры. Теплостойкость измеряется числом теплосмен, т. е. числом резких изменений воздействующей на материал температуры, которая, как правило, бывает ниже температуры применения. Например, предельная температура применения минеральной ваты 700 ˚С, теплостойкость же ее значительно ниже и в зависимости от числа теплосмен может понижаться до 200 ˚С [3].

При резком колебании температур материал разрушается за счет возникающих в нем вследствие быстрого нагревания и охлаждения внутренних напряжений и, следовательно, неравномерного нагревания материала по всей его массе.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме, и образующийся лед давит на стенки пор материала. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно разрушают его. По морозостойкости материалы подразделяют на следующие марки: Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более [7].

Гидроизоляционные материалы проверяют также на атмосфсроустойчивость.

Атмосфероустойчивость материалов — способность гидроизоляционных материалов выдерживать колебания температуры окружающей среды от минусовой до плюсовой и наоборот. Эту величину измеряют коэффициентом атмосфсроустойчивости К_а, соответствующим 500 циклам колебаний температуры. Этот коэффициент не должен быть менее 0,9 для надземных и 0,7 ÷ 0,5 для подземных и гидротехнических сооружений.