Co je součinitel tepelné vodivosti a na čem závisí?

Je známo, že proces rozložení tepla v prostoru je neoddělitelně spjat s rozložením teploty v něm. Soubor teplotních hodnot v každém okamžiku pro všechny body uvažovaného prostoru se nazývá teplotní pole. Matematicky se vyjadřuje rovnicí t = f (x, y, z, τ), kde x, y, z jsou souřadnice bodu a t je čas. Pokud se teplota v čase nemění, nazývá se pole ustálené neboli stacionární. Pokud teplota závisí na čase, nazývá se pole nestacionární a tepelné procesy probíhající za takových podmínek se nazývají nestacionární, například ohřev nebo chlazení těles.

Teplotní pole může být funkcí tří, dvou nebo jedné souřadnice. Podle toho se nazývá trojrozměrné, dvourozměrné nebo jednorozměrné. Nejjednodušší formou je jednorozměrné stacionární teplotní pole t = f(х). Všechny body v prostoru, které mají stejnou teplotu, tvoří izotermickou plochu. Změnu teploty v tělese lze přirozeně pozorovat pouze ve směrech, které protínají izotermické plochy (například směr x, obr. 13.1). V tomto případě je nejostřejší změna ve směru normály n k izotermickým plochám. Limit poměru změny teploty Δt ke vzdálenosti mezi izotermami podél normály Δn, za předpokladu, že Δn = 0, se nazývá teplotní gradient, tj.

Parciální derivace se zde používá, protože obecně se teplota může měnit nejen v prostoru, ale i v čase (v nestacionárním režimu).

Teplotní gradient je vektor s kladným znaménkem při rostoucí teplotě a záporným znaménkem při jejím poklesu. Teplotní gradient je numericky roven derivaci teploty podél normály.

Množství tepla přeneseného za jednotku času se nazývá tepelný tok Q, který se měří v J/s (W). Tepelný tok na jednotku povrchu tělesa se nazývá hustota povrchového tepelného toku (nebo jednoduše hustota tepelného toku) q = Q/S, která se měří ve W/m2.

Veličina q je vektor, jehož směr je opačný než směr teplotního gradientu, protože tepelná energie se vždy šíří nezávisle pouze ve směru klesající teploty (viz obr. 13.1).

Obr. 13.1. O stanovení teplotního gradientu a tepelného toku.

Při studiu jevů tepelné vodivosti v pevných látkách Fourier zjistil, že tepelná energie, aktuálně přenášená tepelnou vodivostí, je úměrná teplotnímu gradientu kolmému ke směru tepelného toku, tj.

Součinitel úměrnosti λ zahrnutý v této rovnici charakterizuje schopnost látky, ze které se dané těleso skládá, vést teplo a nazývá se součinitel tepelné vodivosti, nebo jednoduše tepelná vodivost. Z rovnice (13.1), která je matematickým vyjádřením základního zákona šíření tepla tepelnou vodivostí (Fourierova zákona), vyplývá, že tepelná vodivost λ, W/(m×K), určuje výkon tepelného toku procházejícího 1 m2 povrchu s teplotním gradientem 1 K/m.

Pro různá tělesa má tepelná vodivost specifickou hodnotu a závisí na struktuře, hustotě, vlhkosti, tlaku a teplotě látek těchto těles. Přesné hodnoty λ se určují na základě speciálních laboratorních experimentů. V technických výpočtech se obvykle používají přibližné hodnoty tepelné vodivosti λ, W/(m×K).

Kovy tedy mají nejvyšší tepelnou vodivost, nekovové stavební materiály mají výrazně nižší hodnoty a porézní materiály používané speciálně pro tepelnou izolaci mají nejnižší hodnoty. U tepelně izolačních materiálů je λ < 0,20 W/(m × K).

U většiny kovů tepelná vodivost klesá s rostoucí teplotou. Obsah nečistot v kovech prudce snižuje jejich tepelnou vodivost. Například u oceli s 0,1 % uhlíku je λ = 53 a s 1 % uhlíku je λ = 39 W/(m × K). U stavebních a tepelně izolačních materiálů se tepelná vodivost s rostoucí teplotou zvyšuje (výjimkou jsou magnezitové žáruvzdorné materiály). Závislost λ na teplotě pro tyto materiály lze vyjádřit rovnicí:

kde β je teplotní koeficient, což je přírůstek λ materiálu se zvýšením jeho teploty o 1°.

Pro různé stavební materiály v teplotním rozsahu 0 – 100 °C β = 0,0025. U kapalných kapiček tepelná vodivost klesá se zvyšující se teplotou. Výjimkou je pouze voda a glycerin. U plynů tepelná vodivost roste se zvyšující se teplotou a je prakticky nezávislá na tlaku, s výjimkou velmi vysokého (nad 200 MPa) a velmi nízkého (pod 0,003 MPa) tlaku. Tepelná vodivost je ovlivněna celkovou pórovitostí materiálu, velikostí a stupněm uzavření pórů. U porézních materiálů je tepelná vodivost nepřímo úměrná jejich celkové pórovitosti a přímo úměrná velikosti pórů. To se vysvětluje zvýšením přenosu tepla konvekcí a sáláním v celkovém procesu výměny tepla porézního materiálu a naznačuje to, že tepelně izolační materiály používané při vysokých teplotách by měly mít jemnoporézní strukturu. Póry, které komunikují mezi sebou a s povrchem materiálu, vytvářejí příznivější podmínky pro zvlhčení materiálu a tím i zvýšení jeho tepelné vodivosti, proto by tepelně izolační materiály měly mít pokud možno uzavřené póry.

U porézních materiálů je λ podmíněnou hodnotou, protože přítomnost pórů v materiálu neumožňuje jeho považání za pevné těleso. λ porézních materiálů proto představuje tepelnou vodivost určitého homogenního tělesa, kterým se při stejném tvaru, rozměrech a teplotách na hranici jeho povrchu s okolím přenáší stejný tepelný výkon jako porézním tělesem.

Materiály s vyšší hustotou mají zpravidla vyšší tepelnou vodivost, ale je třeba mít na paměti, že tepelná vodivost materiálu nezávisí jen na objemu vzduchu uzavřeného v pórech, ale především na rovnoměrném rozložení vzduchu v porézním materiálu. Z tohoto hlediska bude materiál s velkými porézními vrstvami méně účinným tepelným izolantem než materiál s jemnými porézními vrstvami se stejnou hustotou. Mezi stavební materiály patří ty, které sice mají nižší hustotu, ale vyšší tepelnou vodivost než materiály s vyšší hustotou. Příkladem je minerální vlna, rašelinová drť používaná jako sypký tepelněizolační materiál atd. Zejména minerální vlna s hustotou asi 125 kg/m3 má nejnižší tepelnou vodivost. Při nižší hustotě se tepelná vodivost zvyšuje v důsledku zvýšeného přenosu tepla konvekcí v pórech v důsledku menšího zhutnění vlny.

Tepelná vodivost stavebních materiálů se prudce zvyšuje, když jsou navlhčeny, protože tepelné vodivosti vzduchu a vody se výrazně liší: tepelná vodivost vzduchu v pórech materiálu je 0,025 – 0,028 a vody 0,55 W/(m×K), tj. téměř 20krát vyšší než u vzduchu. Materiál se stává ještě tepelně vodivějším, pokud vlhkost v jeho pórech zmrzne, protože tepelná vodivost ledu je 2,5 W/(m×K), tj. přibližně 4krát vyšší než u vody a 80krát vyšší než u vzduchu. Zvýšení tepelné vodivosti mokrých materiálů je také způsobeno zvětšením kontaktních povrchů částic hlavní látky materiálu. To vede k tomu, že tepelná vodivost mokrého materiálu je výrazně vyšší než tepelná vodivost suchého materiálu a vody samostatně. Například pro suchou cihlu je λ 0,35, pro vodu 0,55 a pro mokrou cihlu 1 W/(m×K). Proto musí být stavební a zejména tepelně izolační materiály chráněny před vlhkostí, jinak se jejich tepelně izolační vlastnosti výrazně snižují.

U anizotropních materiálů, které mají v různých směrech odlišnou strukturu (dřevo, vláknité a lisované materiály, krystaly), závisí tepelná vodivost na směru tepelného toku. Například u borovicového dřeva se při směru tepelného toku rovnoběžně se směrem vláken zdvojnásobí ve srovnání s tepelnou vodivostí při směru kolmém na vlákna. To se vysvětluje tím, že při směru kolmém na vlákna musí tepelný tok procházet velkým počtem vzduchových mezer umístěných jak uvnitř dřevěných vláken, tak mezi nimi, které brání průchodu tepla. Při směru tepelného toku rovnoběžně s vlákny bude vliv vzduchu obsaženého ve dřevě výrazně menší.

• Hlavní
• Kotle
• Slovníček pojmů
• Články o kotlích
• Knihy o kotlích
• Kontaktní informace

Kotelna “Kotly KV”

Pohodlí a útulnost v domě do značné míry závisí na dobře spočítané výměně tepla již ve fázi výstavby. K tomu se bere v úvahu vše. Pro zpřesnění výpočtů a jejich mnohem snazší provedení se používá tabulka tepelné vodivosti stavebních materiálů. S jeho pomocí si můžete spočítat, jak teplý bude dům a o kolik ekonomičtější bude jeho vytápění. Zvažme hlavní parametry tepelné vodivosti různých materiálů a metodiku výpočtu takové hodnoty pro celkovou konstrukci.

Co je tepelná vodivost, tepelný odpor a součinitel tepelné vodivosti

Jaký druh „zvíře“ je tepelná vodivost? Pokud „rozluštíte“ složitou fyzikální definici, můžete získat následující vysvětlení. Tepelná vodivost je vlastnost, kterou mají všechny stavební materiály. Vyznačuje se schopností přenášet teplo z vyhřívaného předmětu do chladnějšího. Čím rychleji a intenzivněji se to děje, tím chladnější je samotný materiál a konstrukce z něj tedy potřebuje intenzivnější ohřev. Což není moc efektivní, hlavně co se peněz týče.

Pro odhad hodnoty tepelné vodivosti se používají speciální koeficienty, které byly již předem identifikovány. GOST 30290-94 řídí metody pro určování takových charakteristik. Ten je neoddělitelně spojen s tepelným odporem, tedy odporem teplosměnné vrstvy. V případě vícevrstvého materiálu se počítá jako součet tepelných odporů jednotlivých vrstev. Tato hodnota sama o sobě je rovna poměru tloušťky vrstvy ke koeficientu.

Varování! Pro zjednodušený výpočet tepelného odporu stěny najdete na internetu kalkulačku s přístupným a srozumitelným rozhraním.

Jak vidíte, při určování tepelné vodivosti není nic složitého ani nepochopitelného. Se znalostí všech těchto charakteristik budoucích materiálů je možné vytvořit „energeticky účinný sendvič“, ale pouze za předpokladu, že budou brány v úvahu všechny okolnosti, které ovlivní tepelnou účinnost každé vrstvy konstrukce.

Hlavní parametry, na kterých závisí tepelná vodivost

Ne všechny stavební materiály jsou stejně tepelně účinné. Ovlivňují to následující faktory:

1. Porézní struktura materiálu znamená, že taková struktura je heterogenní a póry jsou vyplněny vzduchem. Tepelné hmoty pohybující se těmito vrstvami ztrácejí minimum své energie. Proto je pěnobeton s uzavřenými póry považován za dobrý tepelný izolant.
2. Zvýšená hustota materiálu zaručuje užší vztah mezi částicemi navzájem. V souladu s tím dochází k vyrovnávání teplotní bilance mnohem rychleji. Z tohoto důvodu má hustý materiál vysoký koeficient tepelné vodivosti. Proto je železobeton považován za jeden z „nejchladnějších“ materiálů.
3. Влажность – maligní faktor, který zvyšuje rychlost přenosu tepla. Proto je tak důležité provádět vysoce kvalitní hydroizolaci nezbytných součástí budovy, správně organizovat větrání a používat stavební materiály, které jsou co nejvíce inertní vůči vlhkosti.

Když víte, co je tepelná vodivost a jaké faktory ji ovlivňují, můžete se bezpečně pokusit použít své znalosti k výpočtu budoucích stavebních konstrukcí. K tomu potřebujete znát koeficienty použitých materiálů.

Součinitel tepelné vodivosti stavebních materiálů – tabulky

Tepelně izolační vlastnosti materiálů dokonale dokládají souhrnné tabulky, které prezentují standardní ukazatele.

Ale tyto tabulky tepelné vodivosti materiálů a izolačních materiálů neberou v úvahu všechny hodnoty. Podívejme se blíže na přenos tepla základních stavebních materiálů.

Tabulka tepelné vodivosti cihel

Jak jsme již viděli, cihla není „nejteplejším“ materiálem stěny. Z hlediska tepelné účinnosti zaostává za dřevem, pěnobetonem a keramzitem. Ale se správnou izolací vytváří útulné a teplé domovy.

Ale ne všechny typy cihel mají stejný koeficient tepelné vodivosti (λ). Například u slínku je největší – 0,4−0,9 W/(m K). Proto je nepraktické z toho něco stavět. Nejčastěji se používá pro silniční práce a pokládku podlah v technických budovách. Nejmenší koeficient této charakteristiky je u tzv. termokeramiky – pouze 0,11 W/(m K). Ale takový produkt je také velmi křehký, což minimalizuje jeho rozsah použití.

Dobrá shoda mezi pevností a tepelnou účinností vápenopískových cihel. Zdivo z nich však také potřebuje dodatečnou izolaci a v závislosti na oblasti stavby možná i zesílení stěny. Níže je uvedena srovnávací tabulka hodnot tepelné vodivosti pro různé typy cihel.

Tabulka tepelné vodivosti kovů

Tepelná vodivost kovů je neméně důležitá ve stavebnictví, například při výběru topných radiátorů. Takovým hodnotám se nelze vyhnout ani při svařování kritických konstrukcí, výrobě polovodičů a různých izolantů. Níže jsou uvedeny srovnávací tabulky tepelné vodivosti různých kovů.

Tabulka tepelné vodivosti dřeva

Dřevo ve stavebnictví je neoficiálně klasifikováno jako elitní materiál pro stavbu domů. A to nejen kvůli šetrnosti k životnímu prostředí a vysokým nákladům. Dřevo má nejnižší koeficienty tepelné vodivosti. Navíc takové hodnoty přímo závisí na plemeni. Nejnižší koeficient mezi stavebními druhy má cedr (pouze 0,095 W/(m∙C)) a korek. Stavba domů z posledně jmenovaného je velmi nákladná a problematická. Korek pro podlahy je však ceněn pro svou nízkou tepelnou vodivost a dobré zvukově izolační vlastnosti. Níže jsou uvedeny tabulky tepelné vodivosti a pevnosti různých hornin.

Tabulka tepelné vodivosti betonu

Beton ve svých různých variacích je dnes nejběžnějším stavebním materiálem, i když není „nejteplejší“. Ve stavebnictví se rozlišuje konstrukční a tepelně izolační beton. První se používají ke stavbě základů a kritických součástí budov s následnou izolací, zatímco druhé se používají ke stavbě zdí. V závislosti na regionu se na ně buď aplikuje další izolace, nebo ne.

Pórobeton je považován za nejvíce „teplý“ a trvanlivý. I když to není tak úplně pravda. Pokud porovnáte strukturu pěnových bloků a pórobetonu, můžete vidět významné rozdíly. V prvním jsou póry uzavřeny, zatímco v plynosilikátech je většina z nich otevřená, jakoby „roztrhaná“. Proto je ve větrném počasí nezateplený dům z provzdušněných tvárnic velmi chladný. Ze stejného důvodu je takový lehký beton náchylnější k vlhkosti.

Jaký je součinitel tepelné vodivosti vzduchové mezery?

Ve stavebnictví se často používají větrotěsné vzduchové vrstvy, které pouze zvyšují tepelnou vodivost celého objektu. Takové větrací otvory jsou také nutné k odstranění vlhkosti ven. Zvláštní pozornost je věnována navrhování takových vrstev v budovách z pěnového betonu pro různé účely. Takové vrstvy mají také svůj vlastní koeficient tepelné vodivosti v závislosti na jejich tloušťce.

Kalkulačka pro výpočet tloušťky stěny na základě tepelné vodivosti

V praxi jsou taková data často využívána nejen profesionálními designéry. Neexistuje jediný zákon, který by vám zakazoval samostatně vytvořit projekt vašeho budoucího domova. Hlavní věc je, že splňuje všechny normy a SNiP. Pro výpočet tepelné vodivosti stěny můžete použít speciální kalkulačku. Takový „zázrak pokroku“ si můžete buď nainstalovat do svého počítače jako aplikaci, nebo službu používat online.

Není v tom žádná moudrost. Stačí vybrat potřebná data a získáte hotový výsledek.

Existují také složitější výpočetní kalkulačky, které berou v úvahu všechny vrstvy stěn, příklad takového výpočetního „mechanismu“ je uveden na fotografii níže.

Tepelná účinnost budoucí budovy je samozřejmě otázkou, která vyžaduje zvýšenou pozornost. Koneckonců záleží na tom, jak bude dům teplý a jak ekonomicky bude vytápěn. Každá klimatická oblast má své vlastní normy pro součinitele tepelné vodivosti obvodových konstrukcí. Tepelnou účinnost můžete vypočítat sami, ale pokud se vyskytnou problémy, je lepší vyhledat pomoc od specialistů.

Stavební materiály Univerzální typ dokončovacího materiálu – desky DSP: velikosti, ceny, způsoby instalace, vlastnosti