Теплопроводность чем меньше тем лучше

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В системе СИ единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Сравнить теплоизоляцию стеновых материалов можно исходя из нескольких основополагающих характеристик.

Основные характеристики теплоизоляционных материалов

Теплопроводность. Чем ниже теплопроводность, тем меньше требуется утеплительный слой, а значит, и ваши расходы на утепление сократятся.

Влагопроницаемость. Меньшая влагопроницаемость снижает негативное воздействие влаги на утеплитель при последующей эксплуатации.

Пожаробезопасность. Материал не должен поддерживать горение и выделять ядовитые пары, а иметь свойство к самозатуханию.

Экономичность. Утеплитель должен быть доступным по стоимости для широкого слоя потребителей.

Долговечность. Чем больше срок использования утеплителя, тем он дешевле обходится потребителю при эксплуатации и не требует частой замены или ремонта.

Экологичность. Материал для теплоизоляции должен быть экологически чистым, безопасным для здоровья человека и окружающей природы. Эта характеристика важна для жилых помещений.

Толщина материала. Чем тоньше утеплитель, тем меньше будет «съедаться» жилое пространство помещения.

Вес материала. Меньший вес утеплителя даст меньшее утяжеление утепляемой конструкции после монтажа.

Звукоизоляция. Чем выше звукоизоляция, тем лучше защита жилых помещений от шума со стороны улицы.

Простота монтажа. Момент достаточно важен для любителей делать ремонт в доме своими руками.

Сравнение характеристик популярных утеплителей

Пенопласт (пенополистирол)

Этот утеплитель самый популярный, благодаря легкости монтажу и небольшой стоимости.

Пенопласт изготавливается при помощи вспенивания полистирола, имеет очень низкую теплопроводность, устойчив к влажности, легко режется ножом и удобен во время монтажа. Благодаря низкой стоимости имеет большую востребованность для утепления различных помещений. Однако материал достаточно хрупкий, а также поддерживает горение, выделяя токсичные вещества в атмосферу. Пенопласт предпочтительнее использовать в нежилых помещениях.

Пеноплэкс (экструдированный пенополистирол)

Утеплитель не подвергается гниению и воздействию влаги, очень прочный и удобный в использовании – легко режется ножом. Низкое водопоглощение обеспечивает незначительные изменения теплопроводности материала в условиях высокой влажности, плиты имеют высокую сопротивляемость сжатию, не подвергаются разложению. Благодаря этому экструдированный пенополистирол можно использовать для утепления ленточного фундамента и отмостки. Пеноплекс пожаробезопасен, долговечен и прост в применении.

Базальтовая вата

Материал производится из базальтовых горных пород при расплавлении и раздуве с добавлением компонентов для получения волокнистой структуры материала с водоотталкивающими свойствами. При эксплуатации базальтовая вата не уплотняется, а значит, ее свойства не изменяются со временем. Материал пожаробезопасен и экологичен, имеет хорошие показатели звукоизоляции и теплоизоляции. Используется для внутреннего и наружного утепления. Во влажных помещениях требует дополнительной пароизоляции.

Минеральная вата

Минвата производится из природных материалов – горных пород, шлака, доломита с помощью специальной технологии. Минеральная имеет низкую теплопроводность, пожаробезопасна и абсолютно безопасна. Одним из недостатков утеплителя является низкая влагостойкость, что требует обустройства дополнительной влаго- пароизоляции при его использовании. Материал не рекомендуется использовать для утепления подвалов домов и фундаментов, а также во влажных помещениях — парилках, банях, предбанниках.

Пенофол, изолон (фольгированный теплоизолятор из полиэтилена)

Утеплитель состоит из нескольких слоев вспененного полиэтилена, имеющих различную толщину и пористую структуру. Материал часто имеет слой фольги для отражающего эффекта, выпускается в рулонах и в листах. Утеплитель имеет толщину в несколько миллиметров (в 10 раз тоньше обычных утеплителей), но отражает до 97% тепловой энергии, очень легкий, тонкий и удобный в работе материал. Используются для теплоизоляции и гидроизоляции помещений. Имеет длительный срок эксплуатации, не выделяет вредных веществ.

Первая из них – коэффициент теплопроводности, который обозначается символом «лямбда» (ι). Этот коэффициент показывает, какой объем теплоты за 1 час проходит через отрезок материала толщиной 1 метр и площадью 1 м² при условии, что разница между температурами среды на обеих поверхностях составляет 10°С.

Чувствительность к влаге

Влажность – это объем влаги, которая содержится в теплоизоляции. Вода отлично проводит тепло, и насыщенная ею поверхность будет способствовать выхолаживанию помещения. Следовательно, переувлажненный теплоизоляционный материал потеряет свои качества и не даст желаемого эффекта. И наоборот: чем большими водоотталкивающими свойствами он обладает, тем лучше.

Паропроницаемость – параметр, близкий к влажности. В числовом выражении он представляет собой объем водяного пара, проходящий через 1 м2 утеплителя за 1 час при соблюдении условия, что разность потенциального давления пара составляет 1Па, а температура среды одинакова.

При высокой паропроницаемости материал может увлажняться. В связи с этим при утеплении стен и перекрытий дома рекомендуется выполнить монтаж пароизоляционного покрытия.

Водопоглощение – способность изделия при соприкосновении с жидкостью впитывать ее. Коэффициент водопоглощения очень важен для материалов, которые используются для обустройства наружной теплоизоляции. Повышенная влажность воздуха, атмосферные осадки и роса могут привести к ухудшению характеристик материала.

Также не рекомендуется применять водопоглощающую изоляцию при отделке ванных комнат, санузлов, кухонь и других помещений с высоким уровнем влажности.

Плотность и теплоемкость

Пористость – выраженное в процентах количество воздушных пор от общего объема изделия. Различают поры закрытые и открытые, крупные и мелкие. Важно, чтобы в структуре материала они были распределены равномерно: это свидетельствует о качестве продукции. Пористость иногда может достигать 50%, в случае с некоторыми видами ячеистых пластмасс этот показатель составляет 90-98%.

Плотность – это одна из характеристик, влияющих на массу материала. Специальная таблица поможет определить оба этих параметра. Зная плотность, можно рассчитать, насколько увеличится нагрузка на стены дома или его перекрытия.

Теплоемкость – показатель, демонстрирующий, какое количество тепла готова аккумулировать теплоизоляция. Биостойкость – способность материала сопротивляться воздействию биологических факторов, например, патогенной флоры. Огнестойкость – противодействие изоляции огню, при этом данный параметр не стоит путать с пожаробезопасностью. Различают и другие характеристики, к которым относятся прочность, выносливость на изгиб, морозостойкость, износоустойчивость.

Коэффициент сопротивления

Также при выполнении расчетов нужно знать коэффициент U – сопротивление конструкций теплопередаче. Этот показатель не имеет никакого отношения к качествам самих материалов, но его нужно знать, чтобы сделать правильный выбор среди разнообразных утеплителей. Коэффициент U представляет собой отношение разности температур с двух сторон изоляции к объему проходящего через нее теплового потока. Чтобы найти теплосопротивление стен и перекрытий, нужна таблица, где рассчитана теплопроводность строительных материалов.

Произвести необходимые вычисления можно и самостоятельно. Для этого толщину слоя материала делят на коэффициент его теплопроводности. Последний параметр — если речь идет об изоляции — должен быть указан на упаковке материала. В случае с элементами конструкции дома все немного сложнее: хотя их толщину можно измерить самостоятельно, коэффициент теплопроводности бетона, дерева или кирпича придется искать в специализированных пособиях.

При этом часто для изоляции стен, потолка и пола в одном помещении используются материалы разного типа, поскольку для каждой плоскости коэффициент теплопроводности нужно рассчитывать отдельно.

Теплопроводность основных видов утеплителей

Исходя из коэффициента U, можно выбрать, какой из видов теплоизоляции лучше использовать, и какую толщину должен иметь слой материала. Расположенная ниже таблица содержит сведения о плотности, паропроницаемости и теплопроводности популярных утеплителей:

Преимущества и недостатки различной теплоизоляции

При выборе теплоизоляции нужно учитывать не только ее физические свойства, но и такие параметры, как легкость монтажа, потребность в дополнительном обслуживании, долговечность и стоимость.

Сравнение самых современных вариантов

Как показывает практика, проще всего осуществлять монтаж пенополиуретана и пеноизола, которые наносятся на обрабатываемую поверхность в форме пены. Эти материалы пластичны, они с легкостью заполняют полости внутри стен постройки. Недостатком вспениваемых веществ является потребность в использовании специального оборудования для их распыления.

Как показывает приведенная выше таблица, достойную конкуренцию пенополиуретану составляет экструдированный пенополистирол. Этот материал поставляются в виде твердых блоков, но с помощью обычного столярного ножа ему можно придать любую форму. Сравнивая характеристики пенных и твердых полимеров, стоит отметить, что пена не образует швов, и это является ее главным преимуществом по сравнению с блоками.

Сравнение ватных материалов

Минеральная вата по свойствам похожа на пенопласты и пенополистирол, однако при этом «дышит» и не горит. Также она обладает лучшей устойчивостью при воздействии влаги и практически не меняет свои качества в процессе эксплуатации. Если стоит выбор между твердыми полимерами и минеральной ватой, лучше отдать предпочтение последней.

У каменной ваты сравнительные характеристики те же, что и у минеральной, но стоимость выше. Эковата имеет приемлемую цену и легко монтируется, но отличается низкой прочностью на сжатие и со временем проседает. Стекловолокно также проседает и, кроме того, осыпается.

Сыпучие и органические материалы

Для теплоизоляции дома иногда применяются сыпучие материалы – перлит и гранулы из бумаги. Они отталкивают воду и устойчивы к воздействию патогенных факторов. Перлит экологичен, он не горит и не оседает. Тем не менее, сыпучие материалы редко применяются для утепления стен, лучше с их помощью обустраивать полы и перекрытия.

Из органических материалов необходимо выделить лен, древесное волокно и пробковое покрытие. Они безопасны для окружающей среды, но подвержены горению, если не пропитаны специальными веществами. Кроме того, древесное волокно подвержено воздействию биологических факторов.

В целом, если учитывать стоимость, практичность, теплопроводность и долговечность утеплителей, то наилучшие материалы для отделки стен и перекрытий – это пенополиуретан, пеноизол и минеральная вата. Остальные виды изоляции обладают специфическими свойствами, так как разработаны для нестандартных ситуаций, а применять такие утеплители рекомендуется только в том случае, если других вариантов нет.

Теплоизоляция необходима в любом помещении, где температура в какое-либо время года не должна быть равной температуре окружающей среды.

Оптимальная температура в помещении достигается с помощью работы обогревательных или охлаждающих устройств.

Чтобы искусственно настроенная температура внутри здания не изменялась из-за диффузии неодинаково нагретых частей внутри и снаружи здания, используют строительные материалы с наименьшим коэффициентом теплопроводности.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность — физическое свойство тела (тел) обменивать внутреннюю энергию с помощью диффузии атомов и молекул, которые хаотически перемещаются от более нагретых частей к более холодным.

Атомы и молекулы двигаются в хаотичном порядке до тех пор, пока температура по всему занимаемому объёму не выровняется.

Чем больше теплопроводность вещества, тем быстрее сквозь него передаётся более высокая или более низкая температура.

Теплопроводность определяется количеством теплоты в Дж, которая, при разнице температур в противоположно расположенных параллельных плоскостях в 1 К, проходит через 1 м² за 1 ч.

Коэффициент теплопроводности выражают в Вт/м*К.

Роль коэффициента теплопроводности при принятии архитектурно-строительного решения

Теплопроводность твёрдых тел, каковыми являются все строительные материалы, проявляется за счёт переноса тепла, происходящего в результате колебаний кристаллической решётки.

Большая теплопроводность строительного материала недопустима для возведения архитектурных сооружений. Чем больше теплопроводность, тем меньше теплоизоляционные качества материала, необходимые для поддержания в помещении температуры, отличной от температуры окружающей среды.

Строительные материалы с низкой теплопроводностью помогают сохранить достигнутый градус в помещении вне зависимости от погодных условий, благодаря минимальному поддержанию диффузии между разными по температуре частицами.

Чем меньше коэффициент теплопроводности материала, тем лучше его теплоизоляционные качества.

Хорошая теплоизоляция избавит от сквозняков, холодных стен, быстрого остывания, промерзания или нагрева помещения, позволит существенно сэкономить на устройствах обогрева или охлаждения.

Или почитайте ЗДЕСЬ об установке пластиковых окон своими руками.

Конструкционные материалы и их теплопроводность

Теплопроводность вещества зависит от его плотности. Чем больше плотность вещества, тем выше теплопроводность. С увеличением пористости понижается ее коэффициент.

Низкий коэффициент теплопроводности материала определяет его хорошие теплоизоляционные качества.

Бетон

• Плотность: 500 кг/м³–2 500 кг/м³. Показатель зависит от состава смеси.
• Теплопроводность: 1,28–1,51 Вт/м*К. Показатель меняется в зависимости от консистенции бетона.

Бетонная смесь используется для заливки монолитного фундамента, а бетонные блоки – для закладки фундамента и возведения стен.

Железобетон

• Плотность: 2 500 кг/м3; бетонная смесь без вибрирования (применения глубинного вибратора) – 2 400 кг/м3.
• Теплопроводность: 1,69 Вт/м*К.

Лёгкий бетон на пористых заполнителях называют ячеистым бетоном.

Используют в качестве конструкционного и теплоизоляционного материала. Самые распространённые строительные материалы из бетона на пористых заполнителях — газобетон, пенобетон, керамзитобетон.

Данные материалы применяются для возведения многоэтажных, частных домов и для дополнительных пристроек: бань, гаражей, сараев.

Керамзитобетон

Полнотелые керамзитобетонные блоки производятся с помощью вибропрессования. Не имеют пустот и отверстий. Часто используются для кладки несущих стен или закладки фундамента.

Пустотелые керамзитобетонные блоки делают с применением специальных форм, позволяющих при заливке смеси сформировать герметичные или сквозные пустоты.

Обладают меньшей прочностью по сравнению с полнотелыми керамзитобетонными блоками. Имеют меньшую теплопроводность, что делает их оптимальным материалом для возведения нетяжёлых конструкций с требуемой высокой теплоизоляцией.

• Плотность: 500 кг/м³–1 800 кг/м³.
• Теплопроводность: 0,14–0,66 Вт/м*К.

Газобетон

Изготавливается из газосиликата. С помощью специализированных газообразователей внутри блока формируют приблизительно сферические поры (пустоты), их диаметр 1–3 мм.

• Плотность: 300–800 кг/м3. Зависит от количества и размера пустот.
• Теплопроводность: 0,1–0,3 Вт/м*К.

Пенобетон

Изготавливается с применением пенообразующих добавок. Имеет пористую структуру.

• Плотность: 600–1 000 кг/м3.
• Теплопроводность: 0,1–0,38 Вт/м*К.

Саманный кирпич

Изготавливается из глины и наполнителя.

• Плотность: 500 кг/м³–1 900 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,1–0,4 Вт/м*К.

Керамический кирпич

Изготавливается из обожжённой глины.

• Плотность: полнотелый – 1 600 кг/м³–1 900 кг/м³; пустотелый – 1 100 кг/м³–1 400 кг/м³;
• Теплопроводность: полнотелый – 0,56–0,86 Вт/м*К; пустотелый–0,35–0,41 Вт/м*К.

Силикатный кирпич

Изготавливается из песка и извести.

• Плотность: 1 100 кг/м³–1 900 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,81–0,87 Вт/м*К.

Дерево

• Плотность: 150 кг/м³–2 100 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,2–0,23 Вт/м*К.

Строительные конструкционные материалы, даже с низкой теплопроводностью, нуждаются в дополнительном утеплении.

Или почитайте ЗДЕСЬ о несъемной опалубке из пенополистирола.

Утеплители и их теплопроводность

Используются для утепления фундамента, пола, стен здания внутри и снаружи, потолка и крыши.

Пенопласт

• Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,31–0,33 Вт/м*К.

Пенополистирол

• Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,028–0,035 Вт/м*К.

Минеральная вата

Минеральная вата имеет способность впитывать влагу. Вода легко накапливается, но очень долго испаряется из данного звуко- и теплоизоляционного материала.

Если минвата перенасытится влагой, то потеряет свои основные изоляционные свойства. Чтобы не допустить впитывание влаги, минвату с двух сторон герметично закупоривают слоем гидроизоляции.

Стекловата

• Плотность: 15 кг/м³–45 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,038–0,046 Вт/м*К.

Базальтовая (каменная) вата

• Плотность: 30 кг/м³–200 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,035–0,042 Вт/м*К.

Эковата

• Плотность: 30 кг/м³–110 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,032–0,041 Вт/м*К.

Сравнительные характеристики теплопроводности конструкционных строительных материалов и утеплителей необходимо проанализировать, выбрав для постройки или дополнительной теплоизоляции самый подходящий материал.

Видео о характеристиках теплоизоляционных материалов

Теплопроводность. Просто о сложном. | Isobud

При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности. Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку.

Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их
непосредственном контакте.

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой). Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков. Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла. Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня. Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень. Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло. При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место. Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция. Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры. В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет. В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов. Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года. На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

• твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
• газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.           

Если сравнивать теплоизоляцию PIR с пеностеклом или пенобетоном, то по структуре эти материалы схожи. Все они ячеистые и наполнены газом. Однако теплопроводности этих материалов будут отличаться.

Стекло и бетон, в отличие от пластиков, проводят тепло интенсивнее, соответственно, пеностекло и пенобетон обладают большей теплопроводностью и их показатели в качестве теплоизоляторов несколько хуже. Даже полимеры отличаются друг от друга теплопроводностью.

Как было сказано ранее, представленные материалы ячеистые и в каждом находятся какие-то газы. В пеностекле и пенобетоне это, как правило, окружающий воздух, в PIR – инертные газы. Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно. Намного лучше тепло проводит воздух, поскольку он состоит из смеси разных газов, молекул очень много и все они друг с другом взаимодействуют.

Конвекционную составляющую у мелкоячеистой теплоизоляции обычно не рассматривают, поскольку размер ячеек теплоизоляции PIR ничтожно мал (меньше 1мм) и газ в этих ячейках неподвижен.

Последняя составляющая – излучение. Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет. В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа. По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

В процессе эксплуатации легкие инертные газы замещаются на более тяжелый окружающий воздух с хорошей теплопроводностью. Это происходит у всех пористых материалов за счет диффузных процессов.

Рассмотрим в качестве примера обычный воздушный шарик, наполненный гелием, который можно сравнить с одной ячейкой вспененной теплоизоляции. Новый шарик все время стремится улететь высоко в небо. Если утром он еще висел под потолком, то со временем он постепенно опустится и будет висеть в центре комнаты, а еще через несколько часов лежать на полу. Т.е. все это время газ за счет диффузии медленно выходит из шарика, и тот теряет свою «летучесть».

Так же и с теплоизоляцией. «Шарики» (ячейки), которые ближе всего расположены к границе с окружающим воздухом постепенно изменяют свой газовый состав. Однако те «шарики», которые находятся глубоко в материале, делают это очень медленно или не делают вовсе, поскольку инертному газу очень сложно пройти огромное количество стенок соседних «шариков» и вырваться наружу.

Кроме того, поверхность теплоизоляции покрыта фольгой, препятствующей выходу газа, соответственно, теплопроводность материала (ее газовая составляющая) сохраняется.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

Подведем итог.

Теплоизоляция – это очень важный показатель. От нее зависит, насколько теплым будет ваш дом. У наиболее эффективной теплоизоляции все ее составляющие () должны быть как можно ниже. У современной изоляции на примере LOGICPIR это достигается за счет применения инертных газов, полимеров и специальных покрытий, отражающих тепловой поток. Уверены, что теперь вы не только сможете безошибочно выбрать теплоизоляционный материал, отвечающий самым высоким требованиям, но и поможете своим детям сдать физику на высший балл.

Источник: http://www.nappan.ru/press/news/Teploprovodnost_Prosto_o_slozhnom/

Теплопроводность. Просто о сложном. — Блоги Mastergrad

 При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности. Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше, — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

 

 

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку. Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

 

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

 

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

 

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их
непосредственном контакте.

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой). Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков. Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла. Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня. Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень. Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

 

 Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло. При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место. Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция. Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры. В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет. В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов. Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года. На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

 

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Её разбор проведем на примере теплоизоляционного материала из пенополиизоцианурата (ПИР/PIR) — LOGICPIR.

LOGICPIR – это инновационный утеплитель, обладающий уникальными показателями теплопроводности – всего 0,021 Вт/м*К, позволяющий добиться максимальной экономии пространства при минимальной толщине теплоизоляции. Кроме того, PIR-плиты не впитывают влагу, тем самым предотвращая образование конденсата и надежно защищая ваш дом от появления плесенных грибов, клещей и бактерий, представляющих опасность для здоровья. LOGICPIR относится к новому поколению полиуретанов, окружающих нас повсеместно: начиная от деталей интерьера автомобилей, матрацев и обуви и заканчивая медициной, где самая поразительная сфера их применения – изготовление протезов для сердечно-сосудистой системы. Стоит ли говорить, что материал экологически безопасен, что подтверждено целым рядом сертификатов и заключений.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

• твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
• газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.

Если сравнивать теплоизоляцию PIR с пеностеклом или пенобетоном, то по структуре эти материалы схожи. Все они ячеистые и наполнены газом. Однако теплопроводности этих материалов будут отличаться.

Стекло и бетон, в отличие от пластиков, проводят тепло интенсивнее, соответственно, пеностекло и пенобетон обладают большей теплопроводностью и их показатели в качестве теплоизоляторов несколько хуже. Даже полимеры отличаются друг от друга теплопроводностью.

Как было сказано ранее, представленные материалы ячеистые и в каждом находятся какие-то газы. В пеностекле и пенобетоне это, как правило, окружающий воздух, в PIR – инертные газы. Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно. Намного лучше тепло проводит воздух, поскольку он состоит из смеси разных газов, молекул очень много и все они друг с другом взаимодействуют.

Конвекционную составляющую у мелкоячеистой теплоизоляции обычно не рассматривают, поскольку размер ячеек теплоизоляции PIR ничтожно мал (меньше 1мм) и газ в этих ячейках неподвижен.

Последняя составляющая – излучение. Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет. В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа. По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

В процессе эксплуатации легкие инертные газы замещаются на более тяжелый окружающий воздух с хорошей теплопроводностью. Это происходит у всех пористых материалов за счет диффузных процессов.

Рассмотрим в качестве примера обычный воздушный шарик, наполненный гелием, который можно сравнить с одной ячейкой вспененной теплоизоляции. Новый шарик все время стремится улететь высоко в небо. Если утром он еще висел под потолком, то со временем он постепенно опустится и будет висеть в центре комнаты, а еще через несколько часов лежать на полу. Т.е. все это время газ за счет диффузии медленно выходит из шарика, и тот теряет свою «летучесть».

Так же и с теплоизоляцией. «Шарики» (ячейки), которые ближе всего расположены к границе с окружающим воздухом постепенно изменяют свой газовый состав. Однако те «шарики», которые находятся глубоко в материале, делают это очень медленно или не делают вовсе, поскольку инертному газу очень сложно пройти огромное количество стенок соседних «шариков» и вырваться наружу.

Кроме того, поверхность теплоизоляции покрыта фольгой, препятствующей выходу газа, соответственно, теплопроводность материала (ее газовая составляющая) сохраняется.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

 

Подведем итог. Теплоизоляция – это очень важный показатель. От нее зависит, насколько теплым будет ваш дом. У наиболее эффективной теплоизоляции все ее составляющие () должны быть как можно ниже. У современной изоляции на примере LOGICPIR это достигается за счет применения инертных газов, полимеров и специальных покрытий, отражающих тепловой поток. Уверены, что теперь вы не только сможете безошибочно выбрать теплоизоляционный материал, отвечающий самым высоким требованиям, но и поможете своим детям сдать физику на высший балл.

Спасибо компании «Технониколь» за помощь в подготовке материала

Таблица теплопроводности и других качеств материалов для утепления

Да, в нашей стране, в отличие от стран с жарким климатом, бывают лютые зимы. Именно поэтому нужно строиться из теплых материалов с использованием специальных утеплителей. В ином случае все дорогое тепло от котлов и печей будет уходить через стены и другие перекрытия.

Нам нужно точно знать, какие из современных популярных материалов для утепления наиболее эффективны.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность можно описать как процесс передачи тепловой энергии до наступления теплового равновесия. Температура, так или иначе, будет выровнена, вопрос только в скорости этого процесса. Если применить это понятие к дому, то ясно, что чем дольше температура внутри здания выравнивается с наружной, тем лучше. Проще говоря, насколько быстро дом остывает это вопрос того, какая теплопроводность его стен.

В числовой форме этот показатель характеризуется коэффициентом теплопроводности. Он показывает, сколько тепла за единицу времени проходит через единицу поверхности. Чем выше этот коэффициент у материала, тем быстрее он проводит тепло.

Теплопроводность утеплителей — это наиболее информативный показатель, и чем он ниже, тем материал эффективнее он сохраняет тепло (или прохладу в жаркие дни). Но существуют и другие показатели, которые влияют на выбор утеплителя.

Таблица теплопроводности утеплителей

В таблице указаны данные по наиболее широко применяемым утеплителям, которые используют в частном строительстве: минеральной ваты, пенополистирола, пенополиуретана и пенопласта. Также приведены сравнительные данные по другим видам.

Таблица теплопроводности утеплителей

Сравнение «+» и «-» поможет определить, какой утеплитель выбрать для конкретных целей.

Полезные показатели утеплителей

На какие основные показатели нужно обратить внимание при выборе утеплителя:

• Теплопроводность при выборе утеплителя материала является основным показателем. Чем она ниже, тем лучшая теплоизоляция у этого материала;
• Плотность напрямую влияет на массу материала, от нее зависит, какая дополнительная нагрузка придется на стены или перекрытия дома. Это очень просто вычислить, зная объем утеплителя и его плотность. Обычно теплоизоляционные свойства падают с ростом плотности материала. Чем легче утеплитель, тем проще с ним работать, а нагрузка на перекрытия будет минимальной;
• Паропроницаемость показывает, как материал пропускает водяной пар. Высокий коэффициент говорит о том, что материал может увлажняться. Наоборот, низкий коэффициент указывает то, что материал не пропускает пар и образует конденсат. Материалы можно делить на 2 вида: а) ваты – материалы, состоящие из волокон. Они паропроницаемы; б) пены – это затвердевшая пенная масса особого вещества. Не пропускают пар ;
• Водопоглощение — это способность вещества впитывать воду. Чем она выше, тем менее материал пригоден для утепления, тем более для наружных теплоизоляционных работ, ванной, кухни и других мест с повышенной влажностью;
• Горючесть довольно понятный показатель, очевидно, что наилучшие материалы для утепления те, которые не горят. Также пригодны самозатухающие варианты;
• Прочность на сжатие — это способность материала сохранить свою форму и толщину при механическом воздействии. Многие материалы хороши как утеплитель, но могут сжиматься, при этом снижаются их теплоизоляционные качества;
• Хрупкость нежелательна для утеплителя, хотя и не является основополагающим качеством при выборе;
• Долговечность определяет срок службы материала;
• Толщина материала определяет, сколько пространства будет занимать теплоизоляция. При внутренних работах это важно, ведь чем тоньше слой материала, тем меньше полезного пространств он «съест»;
• Экологичность материала особенно важна при выполнении внутреннего утепления. Нужно обратить внимание, не разлагается ли утеплитель на опасные составляющие, а также не выделяет ли он при пожаре токсичных веществ.

Кто на свете всех теплей?

Цель такого тщательного изучения утеплителей одна — узнать, какой из них лучше всех. Однако, это палка о двух концах, ведь материалы с высокой термоизоляцией могут иметь другие нежелательные характеристики.

Пенополиуретан или экструдированный пенополистирол

Нетрудно определить по таблице, что чемпион по теплоизоляции – это пенополиуретан. Но и цена его гораздо выше, нежели у полистирола или пенопласта. Все потому что он обладает двумя наиболее востребованными в строительстве качествами: негорючесть и водоотталкивающие свойства. Его трудно поджечь, поэтому пожарная безопасность такого утепления высока, к тому же он не боится намокнуть.

Но у пенополиуретана появилась настоящая альтернатива – экструдированный пенополистирол. По сути это тот же пенопласт, но прошедший дополнительную обработку – экструдировку, которая улучшила его. Это материал с равномерной структурой и замкнутыми ячейками, который представлен в виде листов разной толщины. От обычного пенопласта его отличает усиленная прочность и способность выдерживать механическое давление. Именно поэтому его можно назвать достойным конкурентом пенополиуретану. Единственный недостаток монтажа отдельных плит – швы, которые успешно заделываются монтажной пеной.

А уж чем вам удобнее пользоваться – жидким утеплителем из баллончика или плитами, выбирать только вам. Но помните, что эти материалы не «дышат» и могут образовывать эффект запотевших окон, так что все утепление может уйти из форточки во время проветривания. Поэтому утеплять такими материалами нужно разумно.

Минеральная вата или пенопласт

Если сравнивать минеральную вату и пенопласт, то их теплопроводность находится на одном уровне ≈ 0,5. Поэтому выбирая между этими материалами, неплохо было бы оценить и другие качества, такие как водопроницаемость. Так, монтаж ваты в местах с возможным намоканием нежелательна, поскольку она теряет свойства теплоизоляции на 50% при намокании на 20%. С другой стороны, вата «дышит» и пропускает пар, так что не будет образовываться конденсата. В доме, который утеплен ватой из базальтового волокна, не будут запотевать окна. И вата, в отличие от пенопласта, не горит.

Другие утеплители

Весьма популярны сейчас эко-материалы, такие как опилки, которые смешивают с глиной и используют для стен. Однако, такой приятный по цене материал как опилки, имеет много недостатков: горит, намокает и гниет. Не говоря уже о том, что набирая влагу, опилки теряют теплоизоляционные свойства.

Также набирает популярности дешевое и экологичное пеностекло, которое можно применять только без нагрузок, поскольку он весьма хрупок.

Выбирая утеплитель

Цены на энергоносители растут, и вместе с тем растет популярность на утеплители. В нашей статье представлена таблица теплопроводности материалов для утепления и сравнительный анализ популярных видов утеплителей. Главное, что хотелось бы отметить — хорошие показатели вы получите, приобретая только качественный сертифицированный продукт. Выбор теплоизоляционных материалов на рынке весьма широк и один вид утеплителя предлагается более чем пятью производителями. Много из них могут вас огорчить своим качеством, поэтому ориентируйтесь на отзывы тех, кто испытал конкретные торговые марки на «своей шкуре».

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Теплопроводность – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

• Участник: Шароглазова Ксения Сергеевна
• Руководитель: Печерская Светлана Юрьевна

Цель данной работы: изучение явления теплопроводности, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостями и газами.

Актуальность: В наше время разрабатываются новые материалы. Знания о теплопроводности различных веществ позволяет не только широко использовать их, но и предотвращать их вредное воздействие в быту, технике и природе.

Цель: изучение явления теплопроводности, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостями и газами.

Задачи:

• изучить теоретический материал по данному вопросу;
• исследовать теплопроводность твердых тел;
• исследовать теплопроводность жидкостей;
• исследовать теплопроводность газов;
• сделать выводы о полученных результатах.

Гипотеза: все вещества (твердые, жидкие и газообразные) имеют разную теплопроводность.

Оборудование: спиртовка, штатив, деревянная палочка, стеклянная палочка, медная проволока, пробирка с водой.

Элементы УМК к учебнику А.В.Перышкина: учебник «Физика. 8 класс» А.В.Перышкина

Содержание работы

Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку. Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.

Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.

Видео: https://cloud.mail.ru/public/JCFY/CFTcCeqhE

Опыт 1. Исследование теплопроводности твердых тел на примере деревянной палочки, стеклянной палочки и медного стержня

Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится.

Вывод: дерево обладает плохой теплопроводностью.

Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец останется холодным.

Вывод: стекло имеет плохую теплопроводность.

Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.

Вывод: металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь. 

Рассмотрим передачу тепла от одной части твердого тела к другой на следующем опыте. Закрепим один конец толстой медной проволоки в штативе. К проволоке прикрепим воском несколько гвоздиков (рис. 6). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет таять. Гвоздики начнут постепенно отваливаться. Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные.

Выясним, как происходит передача энергии по проволоке. Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и т. д. Следует помнить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.

Опыт 2. Исследование теплопроводности жидкостей на примере воды

Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой и станем нагревать ее верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется (рис. 7). Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.

Вывод: теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности металлов.

Опыт 3. Исследование теплопроводности газов

Исследуем теплопроводность газов. 

Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх (рис. 8). Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел.

Вывод: теплопроводность у газов еще меньше, чем у жидкостей. Итак, теплопроводность у различных веществ различна.

Выводы и их обсуждение

Вывод: Проведенные опыты показывают, что теплопроводность у различных веществ различна. Наибольшей теплопроводность обладают металлы, у жидкостей теплопроводность невелика и самая малая теплопроводность у газов.

Используя §4 учебника физики для 8 класса, представим результаты в виде таблицы:

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
ХОРОШАЯ	ПЛОХАЯ
металлы (серебро, медь, железо)	жидкости (вода)
	газы (воздух)
	вакуум
	пористые тела, пробка, бумага, стекло, кирпич, пластмассы
	волосы, перья птиц, шерсть
	вата, войлок

Объяснение явления теплопроводности с молекулярно-кинетической точки зрения: теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В металлах частицы расположены близко, они постоянно взаимодействуют друг с другом. Скорость колебательного движения в нагретой части металла увеличивается и быстро передается соседним частицам. Повышается температура следующей части проволоки. В жидкостях и газах молекулы расположены на больших расстояниях, чем в металлах. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Применение теплопроводности

Теплопроводность на кухне

Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы (медь, алюминий…), так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается пище. Иногда бывает необходимо уменьшить теплопроводность — в этом случае используют кастрюли из материалов с более низкой теплопроводностью, или готовят способами, при которых пище передается меньшее количество тепла. Приготовление блюд на водяной бане — один из примеров уменьшения теплопроводности. Для посуды, предназначенной для приготовления пищи, не всегда используют материалы с высокой теплопроводностью. В духовом шкафу, например, часто используют керамическую посуду, теплопроводность которой намного ниже, чем у металлической посуды. Их самое главное преимущество — способность держать температуру. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне — плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке. Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью.

Материалы с невысокой теплопроводностью также используют для поддержания температуры пищи неизменной. Так, например, чтобы утренний кофе или суп, который берут в путешествие или на обед на работу, оставался горячим, его наливают в термос, чашку или банку с хорошей теплоизоляцией. Чаще всего в них пища остается горячей (или холодной) благодаря тому, что между их стенками находится материал, плохо проводящий тепло. Это может быть пенопласт или воздух, который находится в закрытом пространстве между стенками сосуда. Он не дает теплу перейти в окружающую среду, пище — остыть, а рукам — получить ожог. Пенопласт используют также для стаканчиков и контейнеров для пищи навынос. В вакуумном сосуде Дьюара (известном как «термос», по названию торговой марки) между наружной и внутренней стенкой почти нет воздуха — это еще больше уменьшает теплопроводность.

Отопительная система

Задача любой системы отопления является эффективная передача энергии от теплоносителя (горячей воды) в помещение. Для этого используют специальные элементы системы отопления – радиаторы. Радиаторы предназначены для повышения теплопередачи накопившейся в системе тепловой энергии в помещение. Они представляют собой секционную или монолитную конструкцию, внутри которой циркулирует теплоноситель. Основные характеристики радиатора отопления: материал изготовления, тип конструкции, габаритные размеры (кол-во секций), теплоотдача. Чем выше этот показатель, тем меньше тепловых потерь будет при передаче энергии от теплоносителя в помещение. Лучший материал для изготовления радиаторов – это медь. Наиболее часто используют чугунные радиаторы; алюминиевые радиаторы; стальные радиаторы; биметаллические радиаторы.

Теплопроводность для тепла

Мы используем материалы с низкой теплопроводностью для поддержания постоянной температуры тела. Примеры таких материалов — шерсть, пух, и синтетическая шерсть. Кожа животных покрыта мехом, а птиц — пухом с низкой теплопроводностью, и мы заимствуем эти материалы у животных или создаем похожие на них синтетические ткани, и делаем из них одежду и обувь, которые защищают нас от холода. Кроме этого мы делаем одеяла, так как спать под ними удобнее, чем в одежде. Воздух имеет низкую теплопроводность, но проблема с холодным воздухом в том, что обычно он может свободно двигаться в любом направлении. Он вытесняет теплый воздух вокруг нас, и нам становится холодно. Если движение воздуха ограничить, например, заключив его между внешней и внутренней стенками сосуда, то он обеспечивает хорошую термоизоляцию. У снега и льда тоже низкая теплопроводность, поэтому люди, животные и растения используют их для теплоизоляции. В свежем не утрамбованном снеге внутри находится воздух, что еще больше уменьшает его теплопроводность, особенно потому, что теплопроводность воздуха ниже теплопроводности снега. Благодаря этим свойствам, ледяной и снежный покров защищает растения от замерзания. Животные роют ямки и целые пещеры для зимовья в снегу. Путешественники, переходящие через заснеженные районы, иногда роют подобные пещеры, чтобы в них переночевать. С древнейших времен люди строили убежища изо льда, а сейчас создают целые развлекательные центры и гостиницы. В них часто горит огонь, и люди спят в мехах и синтетических спальных мешках.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности в организме людей и животных необходимо поддерживать определенную температуру в очень узких пределах. У крови и других жидкостей, а также у тканей разная теплопроводность и ее можно регулировать в зависимости от потребностей и окружающей температуры. Так, например, организм может изменить количество крови на участке тела или во всем организме с помощью расширения или сужения сосудов. Наше тело также может сгущать и разжижать кровь. При этом теплопроводность крови, а, следовательно, и части тела, где эта кровь течет, изменяется.

Теплолечение

Современные методы лечения теплом могут быть разделены на три большие группы: 1) контактное приложение нагретых сред; 2) светотепловое облучение и 3) использование теплоты, образующейся в тканях при прохождении высокочастотного электрического тока. Остановимся на использовании нагретых сред. Для теплолечения выбираются среды, позволяющие создать в них значительный запас теплоты. Эта теплота затем должна медленно и постепенно передаваться организму во все время процедуры. Для этого среда должна иметь, возможно, высокую теплоемкость и сравнительно низкие теплопроводность и конвекционную способности. Для теплолечения в основном применяют следующие среды: воздух, воду, торф, лечебные грязи и парафин.

Теплопроводность в бане

Многие любят отдыхать в саунах или банях, но сидеть там на скамейках из материала с высокой теплопроводностью — было бы невозможно. Требуется много времени, чтобы сравнять температуру таких материалов с температурой тела, поэтому вместо них используют материалы с низкой теплопроводностью, например дерево, верхние слои которого намного быстрее принимают температуру тела. Так как в сауне температура поднимается достаточно высоко, люди часто надевают на голову шапочки из шерсти или войлока, чтобы защитить голову от жары. В турецких банях хамамах температура намного ниже, поэтому там для скамеек используют материал с более высокой теплопроводностью — камень.

Интересные факты о теплопроводности

Тепло ли колючим зверям в иголках?

Шерсть не только спасает зверей от холода, но и служит средством защиты. А чтобы защита была внушительнее и надежнее, волосяной покров порой видоизменяется, превращаясь в своеобразные доспехи. Иглы, например. Но вот сохраняет ли такое облачение присущие шерсти свойства, не зябнут ли ежи и дикобразы в своих колючих шубках?

Ученые Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северова РАН обстоятельно изучили теплопроводные и теплоизоляционные свойства иголок, взятых со спины взрослого самца североамериканского дикобраза из коллекции Зоологического музея МГУ, и убедились, что греют эти самые иголки очень даже неплохо. Чтобы понять внутреннюю структуру игл, на них делали тонкие срезы, на которые напыляли золото для исследования в электронном микроскопе. Кератин — главная составляющая иголок — проводит тепло в 10 раз лучше, чем воздух. И благодаря этому иглы увеличивают теплопроводность «доспехов». Следовательно, возрастают и потери тепла с тела животного. Однако внутренняя пористая структура игл создает дополнительное экранирование теплового излучения, что, скорее всего, и компенсирует увеличение теплопроводности. Так что дикобраз, как и другие колючие звери, вовсе не страдает от холода. Иглистый покров сохраняет ровно столько тепла, сколько нужно теплокровному животному такого размера.

Полипропилен

Пока является лучшей основой для материалов (волокон, нитей, пряжи, полотен, тканей), используемых в производстве нательной спортивной одежды, термобелья и термоносков. Среди всех синтетических материалов, применяемых в этой области, он обладает самой низкой теплопроводностью. Поэтому одежда из полипропилена позволяет наилучшим образом сохранить тепло зимой и прохладу летом.

Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?

Материалом с наивысшей теплопроводностью является вовсе не какой-нибудь металл (серебро или медь), как думают многие. Самую высокую теплопроводность имеет материал, который похож на стекло – алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше, чем у серебра или меди. Если изготовить чайную ложечку из алмаза, то воспользоваться ею не удастся, так как она будет обжигать пальцы в ту же секунду.

Из чего изготавливают сваи при строительстве зданий в регионах с вечной мерзлотой?

Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины из-за подтаивания грунта под ними. Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту. Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала, внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.

«Огнеупорный шарик»

Обычный воздушный шарик, надутый воздухом, легко воспламеняется в пламени свечи. Он тут же лопается. Если же к пламени свечи поднести такой же шарик, заполненный водой, он становится «огнеупорным». Теплопроводность воды в 24 раза больше, чем у воздуха. Значит, вода проводит тепло в 24 раза быстрее, чем воздух. Пока вода не испарится внутри шарика – он не лопнет.

Что такое теплопроводность

Сергей Дворянинов
«Квантик» №2, 2019

Отчего, когда в оттепель идёт снег, он тает на руке, а на шубе остаётся?

Л. Н. Толстой, «Тепло» (Рассуждение)

Третий лишний

Вспомним одну старую задачку. Есть автобус, трамвай, троллейбус. Что здесь лишнее?

Лишний автобус, так как он работает на бензине, а не на электричестве, как трамвай и троллейбус. А можно считать лишним трамвай, потому что его колёса не «обуты» в резиновые шины.

А теперь новая задача. Из трёх словосочетаний: тёплый осенний день, тёплое море, тёплая одежда — какое лишнее?

Мы называем день или море тёплыми, если у них соответствующая температура. Называя пальто или куртку тёплой, мы никак не связываем это качество одежды с её температурой как материального предмета. Следовательно, лишняя здесь тёплая одежда.

Называть одежду тёплой позволяет некоторая её физическая характеристика, о которой и расскажем.

Коэффициент теплопроводности

Наступила зима. В квартире батареи центрального отопления нагревают воздух. Почему же температура в комнатах повышается не до температуры батареи, а до меньшего уровня? Да потому, что тепло через стены уходит наружу, на улицу. Что это значит? Тепло — не какой-то физический объект. Но из жизненного опыта вы знаете, что горячее тело нагревает окружающие его холодные тела (а холодное — остужает горячие), и удобно считать, что при этом от горячих тел к холодным передаётся тепло.

Как тепло распространяется в одном теле, от уже нагретых частей к более холодным? Разные материалы проводят тепло по-разному — одни хуже, другие лучше. Поэтому у каждого материала есть свой коэффициент теплопроводности k, равный количеству тепла, которое за 1 секунду проходит через стену из этого материала площадью 1 кв. метр и толщиной 1 метр при разности температур 1 градус.

Понятно, что через стену в два раза большей площади проходит в два раза большее количество тепла, а через стену удвоенной толщины — вдвое меньшее (подумайте, почему?). А ещё оказывается, что чем больше разность температур, тем быстрее передаётся тепло.

Количество тепла, как и любой энергии, измеряют в джоулях (Дж). Например, чтобы вскипятить 1 литр воды комнатной температуры, необходимо «передать воде» 350 000 Дж = 350 кДж. А скорость передачи тепла измеряют в ваттах (Вт). Передача 1 Дж тепла за 1 с соответствует 1 Вт. Например, мощность чайника примерно равна 2 кВт = 2000 Вт.

У силикатного (или белого) кирпича k = 0,81 (далее эту размерность будем опускать), то есть, например, для квадратного метра кирпичной стены толщиной 50 см потери тепла на 1 градус разницы температур составят 1,62 джоуля в секунду (или 1,62 ватта). У дерева k = 0,2, и потому при той же толщине стен деревянный дом теплее кирпичного в 4 раза. В частности, поэтому кирпичные стены делают толще деревянных. А у бетона k = 1,75, и панельный дом, построенный из бетонных плит, получается вдвое холоднее кирпичного с той же толщиной стен. Стены можно утеплять пенопластом — его коэффициент 0,04. Вспомним детский стишок:

Ох, беда, беда, беда,
Наступили холода.
На стекле горюет муха:
«Выпал снег белее пуха!
Если бы мне валенки,
Пусть подшиты, стареньки,
Да суконные штаны —
Дожила бы до весны!»

Дело в том, что у шерстяного войлока (то есть у тех же валенок) k = 0,045. Зимой в валенках намного теплее, чем в кожаных ботинках. Конечно, валенки ноги не греют, а лишь препятствуют большим потерям тепла.

У хлопковой ваты k = 0,055. Потому испокон веков ватные халаты защищали жителей Средней Азии от нестерпимой летней жары. Температура тела человека 36,7°C, температура воздуха 40–45°C. В этом случае ватный халат в минимальной степени способствует подводу тепла к телу, предохраняя человека от перегрева. Точно так же меховые рукавицы защищают руки кузнеца, держащего раскалённую заготовку.

У минеральной ваты k = 0,045–0,055. Её используют для термоизоляции труб отопления.

Газы — плохие проводники тепла, у них коэффициент теплопроводности мал, например у воздуха k = 0,022. Поэтому оконные рамы делали двойными, и в современных стеклопакетах тоже есть воздух между стёклами: можно сказать, что тепло в доме сохраняет не стекло, а воздух внутри рамы. Но газы могут передавать тепло конвекцией, то есть перемешиваться. По этой причине особенно хорошими теплоизоляционными свойствами обладают пористые материалы — поры в них препятствуют конвекции.

Многие птицы зимой во время сильных морозов зарываются в снег. Рыхлый снег почти не проводит тепло и сохраняет примерно одинаковую температуру даже при сильных ночных заморозках. Так спасаться от морозов, да и от хищников, научились глухари, тетерева, куропатки, рябчики. Птицы способны проводить под снегом без движения несколько дней, при этом их потери энергии минимальны. Да и медведи спят в берлогах, занесённых снегом, словно тёплым одеялом.

Среди металлов рекордсменом по теплопроводности можно считать серебро — у него k = 430. У железа k = 92. Если серебряную ложку опустить в кипяток, то удержать её в руках, пожалуй, не удастся: она очень быстро станет нестерпимо горячей. Металлы очень хорошо проводят тепло (гораздо лучше неметаллов), потому что в них есть свободные электроны, которые быстро перемещаются и переносят тепло.

Возвращаясь к тёплой одежде, скажем, что она не греет, а препятствует потерям тепла. Теперь вы легко объясните, какую одежду мы называем холодной.

Напоследок — две задачи.

1. В некоторых современных квартирах делают тёплые полы. Для этого вдоль всего пола прокладывают нагревательные элементы, питающиеся электричеством. А в новых вагонах московского метро появились «тёплые поручни», которые не требуют электропитания. Можете догадаться, как они устроены?

2. Эта задача очень старая. Два полярника вышли из палатки на лёд. Падающий сверху снег на комбинезоне одного потихоньку таял, а у другого — нет, делая человека похожим на снеговика. У кого одежда теплее?

Ответы

1. «Тёплые поручни» — это обычные никелированные поручни, покрытые тонким слоем пластика. Пластик плохо проводит тепло, и поэтому тепло от человеческих рук не распространяется вдоль такого поручня. Это создаёт ощущение, что поручень тёплый.

2. Если снежинки на комбинезоне тают, то температура на его поверхности плюсовая. Стало быть, такой комбинезон плохо сохраняет тепло человеческого тела и отводит его в окружающую среду. Теплее одежда у того полярника, который похож на снеговика.

Художник Максим Калякин

Вещества с хорошей теплопроводностью и плохой. III. Изучение нового материала. Три интересных факта о теплоизоляции

Люди тоже бывают разной теплопроводности, одни как пух греют, а другие как железо — тепло забирают.

Юрий Сережкин

Слово «тоже» в приведенном высказывании показывает, что к людям понятие «теплопроводности» применяется лишь условно. Хотя…

Знаете ли вы: шуба не греет, она лишь сохраняет тепло, которое вырабатывает организм человека.

Это значит, что человеческое тело обладает способностью проводить тепло и в буквальном, а не только в фигуральном смысле. Это все лирика, на самом же деле мы займёмся сравнением утеплителей по теплопроводности.

Вам виднее, ведь вы сами набрали в поисковике «теплопроводность утеплителей». Что именно вы хотели узнать? А если без шуток, то знать об этом понятии важно, потому что разные материалы очень по-разному ведут себя при использовании. Важным, хотя и не ключевым моментом при выборе является именно способность материала проводить тепловую энергию. Если неправильно выбрать теплоизоляционный материал попросту не будет выполнять свою функцию, а именно сохранять тепло в помещении.

Шаг 2: Теория понятие

Из школьного курса физики, скорее всего, помните, что существует три вида теплопередачи:

• Конвекция;
• Излучение;
• Теплопроводность.

А значит теплопроводность — это вид теплопередачи или перемещения тепловой энергии. Это связано с внутренней структурой тел. Одна молекула передает энергию другой. А теперь хотите небольшой тест?

Какой вид веществ пропускает (передает) больше всего энергии?

• Твердые тела?
• Жидкости?
• Газы?

Правильно, больше всего передает энергию кристаллическая решетка твердых тел. Их молекулы находятся ближе друг к другу и поэтому могут взаимодействовать эффективнее. Самой низкой теплопроводностью обладают газы. Их молекулы находятся на наибольшем удалении друг от друга.

Шаг 3: Что может быть утеплителем

Продолжаем наш разговор о теплопроводности утеплителей. Все тела, которые находятся рядом, стремятся уровнять температуру между собой. Дом или квартира, как объект, стремится уровнять температуру с улицей. Способны ли все строительные материалы быть утеплителями? Нет. Например, бетон пропускает тепловой поток из вашего дома на улицу слишком быстро, поэтому нагревательное оборудование не будет успевать поддерживать нужный температурный режим в помещении. Коэффициент теплопроводности для утеплителя рассчитывается по формуле:

Где W это наш тепловой поток, а м2 — площадь утеплителя при разнице температур в один Кельвин (Он равен одному градусу Цельсия). У нашего бетона данный коэффициент составляет 1,5. Это значит, что условно, один квадратный метр бетона при разнице температур в один градус Цельсия способен пропустить 1,5 вата тепловой энергии в секунду. Но, существуют материалы с коэффициентом в 0,023. Ясно, что такие материалы куда лучше подходят на роль утеплителей. Вы спросите, не играет ли значение толщина? Играет. Но, здесь все равно нельзя забыть про коэффициент теплопередачи. Чтобы добиться одинаковых результатов понадобится бетонная стена толщиной 3,2 м или лист пенопласта толщиной 0,1 м. Ясно, что хотя бетон и может формально быть утеплителем, экономически это нецелесообразно. Поэтому:

Утеплителем можно назвать материал, проводит через себя наименьшее количество тепловой энергии, не давая ей уйти из поме