Самый теплый раздел физики

Теплопроводность

Не следует путать с термическим сопротивлением.

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

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 Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q → = − ϰ g r a d ( T ) , {\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}

где q → {\displaystyle {\vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ {\displaystyle \varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T {\displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору g r a d ( T ) {\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P = − ϰ S Δ T l , {\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},}

где P {\displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S {\displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, Δ T {\displaystyle \Delta T} — перепад температур граней, l {\displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ {\displaystyle \varkappa } с удельной электрической проводимостью σ {\displaystyle \sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰ σ = π 2 3 ( k e ) 2 T , {\displaystyle {\frac {\varkappa }{\sigma }}={\frac {\pi ^{2}}{3}}\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}T,} где k {\displaystyle k} — постоянная Больцмана, e {\displaystyle e} — заряд электрона, T {\displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

ϰ ∼ 1 3 ρ c v λ v ¯ , {\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ {\displaystyle \rho } — плотность газа, c v {\displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ {\displaystyle \lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v ¯ {\displaystyle {\bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

ϰ = i k 3 π 3 / 2 d 2 R T μ , {\displaystyle \varkappa ={\frac {ik}{3\pi ^{3/2}d^{2}}}{\sqrt {\frac {RT}{\mu }}},}

где i {\displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i = 5 {\displaystyle i=5} , для одноатомного i = 3 {\displaystyle i=3} ), k {\displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ {\displaystyle \mu } — молярная масса, T {\displaystyle T} — абсолютная температура, d {\displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R {\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ ∼ 1 3 ρ c v l v ¯ ∝ P {\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}l{\bar {v}}\propto P} , где l {\displaystyle l} — размер сосуда, P {\displaystyle P} — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:

τ ∂ q ∂ t = − ( q + ϰ ∇ T ) . {\displaystyle \tau {\frac {\partial \mathbf {q} }{\partial t}}=-\left(\mathbf {q} +\varkappa \,\nabla T\right).}

Если время релаксации τ {\displaystyle \tau } пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Графен 4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
Арсенид бора 200—2000
Карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь нелегированная 47—58
Свинец 35,3
Сталь нержавеющая (аустенитная) 15
Кварц 8
Термопасты высокого качества 5—12 (на основе соединений углерода)
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Бетон на гравии или щебне из природного камня 1,51
Базальт 1,3
Стекло 1—1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Бетон на песке 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,05—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1) 0,038—0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) 0,029—0,032
Стекловата 0,032—0,041
Каменная вата 0,034—0,039
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022
Аэрогель 0,017
Аргон (273—320 K, 100 кПа) 0,017
Аргон (240—273 K, 100 кПа) 0,015
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

  1. Естествознание. Энциклопедический словарь. Закон Фурье.
  2. Д.В. Сивухин. Общий курс физики: термодинамика и молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2006. — С. 345.
  3. Исследование теплопроводности газов. (недоступная ссылка) // Методические указания.
  4. J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
  5. C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.
  6. Merkblatt 821 (PDF; 614 kB); Сталь нержавеющая, свойства стали (нем.), таблица 9

См. также

  • Теплопередача
  • Конвекция
  • Равновесный градиент температуры
  • Тепловое излучение
  • Закон Ньютона — Рихмана
  • Уравнение диффузии
  • Теплоизоляция

Ссылки

  • Теплопроводность воды и водяного пара
  • Коэффициенты теплопроводности элементов
  • Таблица теплопроводности веществ и материалов

>Теплопроводность

Основные определения

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества — молекулами, атомами, электронами — в процессе их теплового движения. В жидкостях и твердых телах- диэлектриках — перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.

В основной зеком теплопроводности входит ряд математических понятий, оп­ределения которых, целесообразно напомнить и пояснить.

Температурное поле — это со­вокупности значений температуры во всех точках тела в данный момент време­ни. Математически оно описывается ввиде t = f(x, y, z, τ). Различают стационарное температурное поле, когда температура во всех точках тела не зависит от времени (не изменяется с течением времени), и нестационарное температурное поле. Кроме то­го, если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле на­зывают соответственно одно- или двух — мерным.

Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек, температура в которых одинакова.

Градиент температуры — grad t есть вектор, направленный по нор­мали к изотермической поверхности и численно равный производной от тем­пературы по этому направлению.

Согласно основному закону тепло­проводности — закону Фурье (1822 г.), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:

q = — λ grad t, (3)

где λ — коэффициент теплопро­водности вещества; его единица измерения Вт/(м·К).

Знак минус в уравнении (3) ука­зывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.

Тепловой поток δQ через произволь­но ориентированную элементарную пло­щадку dF равен скалярному произведе­нию вектора q на вектор элементарной площадки dF, а полный тепловой поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием этого произведения по поверхности F:

(4)

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Коэффициент теплопроводности λ в законе Фурье (3) характеризует спо­собность данного вещества проводить теплоту. Значения коэффициентов тепло­проводности приводятся в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Численно коэффициент теплопроводности λ = q/grad t равен плотности теплового потока q при градиенте температуры grad t = 1 К/м. Наиболь­шей теплопроводностью обладает легкий газ — водород. При комнатных условиях коэффициент теплопроводности водорода λ = 0,2 Вт/(м·К). У более тяжелых газов теплопроводность меньше — у воз­духа λ = 0,025 Вт/(м·К), у диоксида уг­лерода λ = 0,02 Вт/(м·К).

Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают чистые серебро и медь: λ = 400 Вт/(м·К). Для углеродистых сталей λ = 50 Вт/(м·К). У жидкостей коэффициент теплопроводности, как правило, меньше 1 Вт/(м·К). Вода является одним из лучших жидких проводников теплоты, для нее λ = 0,6 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт/(м·К).

Пористые материалы – пробка, различные волокнистые наполнители типа органической ваты – обладают наименьшими коэффициентами теплопроводности λ<0,25 Вт/(м·К), приближающимся при малой плотности набивки к коэффициенту теплопроводности воздуха, наполняющего поры.

Значительное влияние на коэффициент теплопроводности могут оказывать температура, давление, а у пористых материалов ещё и влажность. В справочниках всегда приводятся условия, при которых определялся коэффициент теплопроводности данного вещества, и для других условий эти данныеиспользовать нельзя. Диапазоны значений λ для различных материалов приведены на рис. 1.

Рис.1. Интервалы значений коэффициентов теплопроводности различных веществ.

Перенос теплоты теплопроводностью

Однородная плоская стенка.

Про­стейшей и очень распространенной за­дачей, решаемой теорией теплообмена, является определение плотности тепло­вого потока, передаваемого через плоскую стенку толщиной δ, на повер­хностях которой поддерживаются темпе­ратуры tw1 и tw2. (рис.2). Температура изменяется только по толщине пластины — по одной координате х. Такие за­дачи называются одномерными, решения их наиболее просты, и в данном курсе мы ограничимся рассмотрением только од­номерных задач.

Учитывая, что для од­номерного случая:

grad t = dt/dх, (5)

и используя основной закон теплопроводности (2), получаем дифференци­альное уравнение стационарной тепло­проводности для плоской стенки:

(6)

В стационарных условиях, когда энергия не расходуется на нагрев, плот­ность теплового потока q неизменна по толщине стенки. В большинстве практи­ческих задач приближенно пред­полагается, что коэффициент тепло­проводности λ не зависит от температуры и одинаков по всей толщине стенки. Зна­чение λ находят в справочниках при температуре:

, (6)

средней между температурами поверхно­стей стенки. (Погрешность расчетов при этом обычно меньше погрешности исход­ных данных и табличных величин, а при линейной зависимости коэффициента теплопроводности от температуры: λ = а+ bt точная расчетная формула для q не отличается от приближенной). При λ = const:

(7)

т.е. зависимость температуры t от координаты х линейна (рис. 2).

Рис.2. Стационарное распределение темпе­ратуры по толщине плоской стенки.

Разделив переменные в уравнении (7) и проинтегрировав по t от tw1 до tw2 и по х от 0 до δ:

, (8)

получим зависимость для расчета плот­ности теплового потока:

, (9)

или мощность теплового потока (тепловой поток):

(10)

Следовательно, количество теплоты, переданной через 1 м2 стенки, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ и разности температур наружных поверхностей стенки (tw1 – tw2) и обратно пропорционально толщине стенки δ. Общее количество теплоты через стенку площадью F еще и пропорционально этой площади.

Полученная простейшая формула (10) имеет очень широкое распространение в тепло­вых расчетах. По этой формуле не только рассчитывают плотности теплового потока через плоские стенки, но и делают оценки для случаев более сложных, уп­рощенно заменяя в расчетах стенки сложной конфигурации на плоскую стенку. Иногда уже на основании оценки тот или иной вариант отвергается без дальней­ших затрат времени на его детальную проработку.

Но формуле (10) можно рассчитать коэффициент теплопроводности материа­ла, если экспериментально измерить тепловой поток и разность температур на поверхностях пластины (стенки) извест­ных размеров.

Температура тела в точке х определяется по формуле:

tx = tw1 — (tw1 — tw2) × (x × d)

Отношение λF/δ называется тепло­вой проводимостью стенки, а обратная величина δ/λF тепловым или термическим сопротивлением стенки и обозначается Rλ. Пользуясь понятием термического сопро­тивления, формулу для расчета теплово­го потока можно представить в виде:

. (11)

Зависимость (11) аналогична закону Ома в электротехни­ке (сила электрического тока равна раз­ности потенциалов, деленной на электри­ческое сопротивление проводника, по ко­торому течет ток).

Очень часто термическим сопротив­лением называют величину δ/λ, которая равна термическому сопротивлению плоской стенки площадью 1 м2.

Примеры расчетов.

Пример 1. Определить тепловой поток через бетонную стену здания толщиной 200 мм, высотой H = 2,5 м и длиной 2 м, если температуры на ее поверхностях: tс1 = 200С, tс2 = — 100С, а коэффициент теплопроводно­сти λ =1 Вт/(м·К):

= 750 Вт.

Пример 2. Определить коэффициент теплопроводности материала стенки толщиной 50 мм,если плотность теплового потока через нее q = 100 Вт/м2, а разность температур на поверхностях Δt = 200 С.

Вт/(м·К).

Многослойная стенка.

Формулой (10) можно воспользоваться и для расчета теплового потока через стенку, состоя­щую из нескольких (n) плотно прилегающих друг к другу слоев разнородных материа­лов (рис. 3), например, головку цилиндров, прокладку и блока цилиндров, выполненных из разных материалов, и т д.

Рис.3. Распределение температуры по толщине многослойной плоской стенки.

Термическое сопротивление такой стенки равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев:

(12)

В формулу (12) нужно подставить разность температур в тех точках (по­верхностях), между которыми «включе­ны» все суммируемые термические сопротивления, т.е. в данном случае: tw1 и tw(n+1):

, (13)

где i – номер слоя.

При стационарном режиме удельный тепловой поток через многослойную стенку постоянен и для всех слоев одинаков. Из (13) следует:

. (14)

Из уравнения (14) следует, что общее термическое сопротивление многослойной стенки равно сумме сопротивлений каждого слоя.

Формулу (13) легко получить, записав разность температур по формуле (10) для каждого из п слоев многослой­ной стенки и сложив все п выражений с учетом того, что во всех слоях Q имеет одно и то же значение. При сложении все промежуточные температуры сократятся.

Распределение температуры в преде­лах каждого слоя — линейное, однако, в различных слоях крутизна температур­ной зависимости различна, поскольку со­гласно формуле (7) (dt/dx)i = — q/λi. Плотность теплового потока, проходяще­го через все слон, в стационарном режи­ме одинакова, а коэффициент теплопро­водности слоев различен, следовательно, более резко температура меняется в сло­ях с меньшей теплопроводностью. Так, в примере на рис.4 наименьшей тепло­проводностью обладает материал второ­го слоя (например, прокладки), а наибольшей — третьего слоя.

Рассчитав тепловой поток через мно­гослойную стенку, можно определить па­дение температуры в каждом слое по соотношению (10) и найти температу­ры на границах всех слоев. Это очень важно при использовании в качестве теплоизоляторов материалов с ограничен­ной допустимой температурой.

Температура слоев определяется по следующей формуле:

tсл1 = tcт1 — q × (d1 × l1-1)

tсл2 = tcл1 — q × (d2 × l2-1)

Контактное термическое сопротивле­ние. При выводе формул для многослойной стенки предполагалось, что слои плотно прилегают друг к другу, и благодаря хорошему контакту соприкасающиеся поверхности разных слоев имеют одну и ту же температуру. Идеально плотный контакт между отдельными слоями многослойной стенки получается, если одни из слоев наносят на другой слой в жидком состоянии или в виде текучего раствора. Твердые тела касаются друг друга только вершинами профилей шеро­ховатостей (рис.4).

Площадь контакта вершин пренебрежимо мала, и весь тепловой по­ток идет через воздушный зазор (h). Это создает дополнительное (контактное) термическое сопротивление Rк. Термические контактные сопротивления, могут быть определены самостоятельно с использованием соответствующих эмпирических зависимостей или экспериментально. Например, термическое сопротивление зазора в 0,03 мм примерно эквивалентно термическому сопро­тивлению слоя стали толщиной около 30 мм.

Рис.4. Изображение контактов двух шерохо­ватых поверхностей.

Методы снижения термического контактного сопротивления. Полное термическое сопротивление контакта определяется чистотой обработки, нагрузкой, теплопроводностью среды, коэффициентами теплопроводности материалов контактирующих деталей и другими факторами.

Наибольшую эффективность снижения термического сопротивления дает введение в контактную зону среды с теплопроводностью, близкой к теплопроводности металла.

Существуют следующие возможности заполнения контактной зоны веществами:

— использование прокладок из мягких металлов;

— введение в контактную зону порошкообразного вещества с хорошей тепловой проводимостью;

— введение в зону вязкого вещества с хорошей тепловой проводимостью;

— заполнение пространства между выступами шероховатостей жидким металлом.

Наилучшие результаты получены при заполнении контактной зоны расплавленным оловом. В этом случае термическое сопротивление контакта практически становится равным нулю.

Цилиндрическая стенка.

Очень часто теплоносители движутся по трубам (цилиндрам), и требуется рассчитать тепловой поток, передаваемый через цилиндрическую стенку трубы (цилиндра). Задача о передаче теплоты через цилиндрическую стенку (при известных и постоянных значениях температуры на внутренней и наружной поверхностях) также является одномерной, если ее рассматри­вать в цилиндрических координатах (рис.4).

Температура изменяется только вдоль радиуса, а по длине трубы l и по ее периметру остается неизменной.

В этом случае уравнение теплового потока имеет вид:

. (15)

Зависимость (15) показывает, что количество теплоты, переданной через стенку цилиндра, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ, длине трубы l и температурному напору (tw1 – tw2) и обратно пропорционально натуральному логарифму отношения внешнего диаметра цилиндра d2 к его внутреннему диаметру d1.

Рис. 4. Изменение температуры по толщине однослойной цилиндрической стенки.

При λ = const распределение темпера­туры порадиусу r однослойной цилиндрической стенки подчиняется ло­гарифмическому закону (рис. 4).

Пример. Во сколько раз уменьшаются тепловые потери через стенку здания, если между двумя слоями кирпичей толщиной по 250 мм установить прокладку пенопласта толщиной 50 мм. Коэффициенты теплопроводности соответственно равны: λкирп. = 0,5 Вт/(м·К); λпен.. = 0,05 Вт/(м·К).

136. Факторы, влияющие на теплопроводность теплоизоляционных материалов.

  • •1.Понятие материаловедения.
  • •2.Понятие состава и структуры материала.
  • •3.Классификация стр мат по назн.
  • •4. Понятие плотности(ср, ист,относит, насып)
  • •24.Что такое твердость и истираемость мат?
  • •31. Что такое надежность стр конструкций и из каких св она склад?
  • •2)Минералы. Горные породы. Природные каменные материалы.
  • •32. Понятие минерала., г/п, спайности. Классиф мин по хим сост
  • •34. Стандартная шкала твердости минералов.
  • •35. Магматические г/п. Кл-я по усл образ. Ос-ти состава, ст-ры и св. Примеры магм г/п. Применение в строительстве.
  • •36. Осадочные г/п. Кл-я по усл образ. Особенности состава, ст-ры и св.Примеры осн г/п. Применение в строительстве.
  • •3) Древесина.
  • •38. Особенности древесины как стр мат.
  • •39.Виды влаги, сод в древесине. Равновесная и стандартная влажность, предел гигроскопичности.
  • •40. Методы определения влажности древесины.
  • •42. Пороки древесины. Влияние наличия пороков на ее прочностные свойства.
  • •43. Причины и механизмы гнилостного разруш древ. Методы защиты от гниения.
  • •44. Защита древесины от биологического повреждения.
  • •45. Защита древесины от возгорания.
  • •46. Макро- и микроструктура древесины. Их особенности.
  • •49. Материалы и изделия из древесины.
  • •4.Строительная керамика.
  • •50. Состав и свойства глины как сырья для строит керамики. Хим, мин, гранулир состав глин.
  • •52. Способы формир. Керам изд: сухой полусухой, жесткий, пластический, шликерный.
  • •53. Кирпич керамический. Техн треб (размеры, пороки, марки)
  • •54. Стандартный метод определения марки кирпича по прочности.
  • •55.Виды стеновой керамики. Назначение, треб. Марки кирпича и камней по прочности и морозостойкости. Маркировка. Группы по теплотехн хар и ср плотности.
  • •56. Строительная керамика: виды и применение( стеновые изделия, облицовочные изделия, изделия для кровли и перекрытий, спец виды керамики)
  • •5,Неорганические вяжущие вещества.
  • •57. Классификация неорганических вяж вещ по усл твердения.
  • •58. Гипсовые вяжущие вещества. Сырье. Технология производства. Разновидности гипсовых вяжущих.
  • •61. Методика определения стандартной консистенции гипсового теста.
  • •62. Методика определения сроков схватывания гипса.
  • •63. Методика определения марки гипсового вяжущего по прочности.
  • •64. Области применения гипса строительного.
  • •65. Виды воздушной строительной извести.
  • •66. Основные показатели качества воздушной строительной извести.
  • •67. В результате каких пр-сов происх твердение гашеной и негашеной извести?
  • •68. Области применения воздушной извести.
  • •69. Что такое портландцемент?
  • •70. Сырьевые материалы, используемые при производстве клинкера портландцемента.
  • •71. Способы производства портландцемента. Их сходство и различие.
  • •73. Вещественный, химический, минеральный, фазовый составы портландцемента.
  • •74. Реакции гидратации основных минералов портландцемента.
  • •75. Для чего в состав портландцемента вводится добавка гипса? с какими клинкерными минералами вз гипс, какое соед обр и как оно влияет процесс структурообразования?
  • •76. Каковы осн показатели качества портландцемента?
  • •77. Что такое активность и марка портландцемента по прочности? в чем их сходство и различие?
  • •78. Методика определения нормальной густоты цементного теста.
  • •79.Методика определения сроков схватывания портландцемента. Каковы требования гост к срокам схватывания портландцемента?
  • •80.Методика определения равномерности изменения объема п/ц объема. В чем сост причина неравн изм объема?
  • •81. Методика опред активности п/ц с исп монофракционного песка.
  • •82. Области применения портландцемента.
  • •83. Основные виды коррозии портландцемента.
  • •84. Каким образом влияет изм мин, вещественного составов и тонкости помола на свойства п/ц?
  • •85.Глиноземистый цемент. Мин и хим сост глинозема.
  • •86.Особенности твердения глинозема при нормальных и повышенных температурах. Реакции гидратации.
  • •87.Особенности свойств и области применения глинозема.
  • •88.Особенности состава и свойств быстротвердеющего п/ц. Рациональные области применения.
  • •89. Особенности состава и свойств сульфатостойкого п/ц. Рациональные области применения.
  • •90. Виды и назначения добавок для п/ц.
  • •91. Что такое активная минеральная добавка и в чем принцип ее действия?
  • •92, Портландцемент с активными минеральными добавками. Вещественный состав, области применения.
  • •93. Пуццолановый портландцемент. Вещественный состав. Свойства и области применения.
  • •94.Что такое шлакопортландцемент? Вещественный состав. Свойства и области применения.
  • •96.Какие требования предъявляются к заполнителям для тяжелого бетона?
  • •97. Как оценить зерновой состав мелкого и крупного заполнителя для бетона?
  • •98. Что такое бетонная смесь? Как опред удобоукладываемость бетонной смеси?
  • •99.Каким образом регулир удобоукладываемость бетонной смеси?
  • •100. Основной закон прочности бетона. Формулы, графики.
  • •101. В чем сост физ смысл осн з-на прочности бетона?
  • •102. Что такое класс бетона по прочности? Как его определить?
  • •103, В чем сост причины неоднородности прочности бетона?
  • •104. Как опред прочность бетона на сжатие по базовому методу?
  • •105. Как опред прочность бетона на растяжение раскалыванием?
  • •106. Уравнение абсолютных объемов.
  • •107.Последовательность определения лабораторного состава тяжелого бетона.
  • •108. Чем лабораторный состав бетона отл от рабочего состава?
  • •114. Влияние температуры на процесс твердения бетона.
  • •115. Какие сущ виды легких бетонов? Каковы обл их применения?
  • •116. Легкий бетон на пористых заполнителях. Осн св и обл примениния.
  • •117. Ячеистые бетоны( газобетон, пенобетон). Осн св и области их применения.
  • •118. В чем состоит сущность ж/б как строительного материала?Каковы достоинства и недостатки?
  • •7.Битумные вяжущие вещества и материалы на их основе.
  • •119. Битумные вяжущие вещества. Сырье и способы получения. Области применении.
  • •Применение:
  • •120. Элементарный, хим и групповой состав битума.
  • •121.Свойства битумных вяжущих веществ. Пути повышения экспл св битума. Свойства битумных вяжущих
  • •122. Стандартные методы оценки св битума( Тв, растяж, т-ры размягчения)
  • •123. Способы перевода битума в раб сост при произв кровельных и гидроизоляц работ.
  • •124. Верим в удачу( Кот. Нет  )
  • •125. Приведите примеры битумных и битумно-олимерн кровельных мат с указ их осн св.
  • •126. Приведите примеры битумных и битумно-полим гидроизол мат с указ их осн св.
  • •8)Полимерные строительные материалы.
  • •127.Полимерные строительные материалы. Назначение осн компонентов пластмасс.
  • •129. Полимеры: Классиф и стр. Термопласт и термореакт полимеры, основные представители.
  • •130. Важн полим мат для покрытия полов.
  • •131. Важнейшие полимерные конструкционные материалы.
  • •132. Важнейшие полимерные отделочные материалы.
  • •9)Теплоизоляционные материалы.
  • •133. Понятие теплоиз мат. Кл-я по виду исх сырья, ст-ре,ф-ме, сод связ в-ва, горючести, теплопроводности.
  • •134. Обл примен теплоиз мат. Техн-эконом эффективность применения.
  • •135. Особенности строения теплоиз мат. Особенности пр-сов теплопереноса через стр мат. Технол прием получ высокопористой ст-ры.
  • •136. Факторы, влияющие на теплопроводность теплоизоляционных материалов.
  • •137. Основные свойства теплоизоляционных материалов. Марки по средней плотности.
  • •138. Неорганические теплоизоляционные материалы общестроительного назначения.( 2-3 примера с указ осн св)
  • •139. Органические теплоизоляционные материалы общестроительного назначения.( 2-3 примера с указ осн св)
  • •140. Теплоизоляционные материалы для изоляции промышленного оборудования и трубопроводов( привести 2-3 примера с указ осн св)
  • •Все Для мгсу – www.AllForMgsu.Ru

Теплофизические свойства материалов: огнестойкость, огнеупорность (с примерами). Зависимость теплопроводности от строения, пористости влажности материала

Огнестойкость – сво-во материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара без значительной потери несущей способности. По степени огнестойкости строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. 1) Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются под воздействием высоких температур (кирпич), другие могут деформироваться сильно (сталь и другие металлы) или растрескиваться (гранит). Поэтому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами. 2) Трудносгораемые с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но только в присутствии огня. При удалении огня эти процессы прекращаются (асфальтовый бетон, фибролит, некоторые пенопласты, пропитанная антипиренами древесина). 3) Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и горят открытым пламенем или тлеют и после удаления источника огня. Такие материалы необходимо защищать от воспламенения. Для этого применяют защитные вещества – антипирены. (Древесина, битумы смолы и др.)

Огнеупорность– св-во материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, выдерживающие температуру белее 1580ºС, называют огнеупорными, от 1350ºС до 1580 ºС – тугоплавкими, ниже 1350 ºС – легкоплавкими. Материалы, которые способны длительное время выдерживать температуру до 1000 ºС при незначительной потере прочности, относят к жаростойким (кирпич, жаростойкий бетон и др).

Теплопроводность – св-во материала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность λ характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1м площадью 1м² в течение 1с при разности температур на противоположных поверхностях материала 1 ºС. Теплопроводность материала зависит от его химического состава и структуры, степени влажности и характера пористости, а также температуры, при которой происходит процесс передачи теплоты. Материал слоистого или волокнистого строения имеют различную теплопроводность в зависимости от направления потока теплоты по отношению к волокнам. Например, у древесины теплопроводность вдоль волокон в 2 раза выше, чем поперек волокон. Материал кристаллического строения более теплопроводен, чем материал того же состава, но аморфного строения. В значительной мере теплопроводность зависит от величины и характера пор, а также их размера. У пористых материалов тепловой поток проходит через твердый «каркас» материала и воздушные ячейки. Теплопроводность воздуха очень низка – 0,023 Вт/(м* ºС), а вещества, из которых построен твердый «каркас» материала, имеют значительно большую теплопроводность. Мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают меньшей теплопроводностью, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос теплоты конвекцией, что и повышает суммарную теплопроводность. Теплопроводность материала зависит от плотности. Для некоторых групп материалов установлена определенная связь между теплопроводностью и относительной плотностью d (формула В. П. Некрасова): λ =1,16 √(0,0196∙0,22d² ∙0.16); С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, так как вода имеет теплопроводность, в 25 большую, чем теплопроводность воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как теплопроводность лбда равна 2,3 Вт/(м∙ ºС), т.е. в 4 раза больше, чем у воды. Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением их температуры.

Морозостойкость строительных материалов и методы ее определения, зависимость от различных фокторов. Способы повышения морозостойкости. Значение в прогнозировании долговечности сооружений.

Морозостойкость – св-во материала, насыщенного водой, выдерживать много кратное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости, в основном , зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций зданий и инженерных сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействия связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда. В порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды. Вызванным увеличением объема при образовании льда примерно на 9% (плотность воды равна 1, а льда 0,917) При этом давление на стенки пор может достигать в ряде случаев сотен МПа. Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиям эксплуатации изготовленных их них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочности материала при его растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80% и объеме пор (k<0,8). Разрушение материала при этом наступает после много кратного попеременного замораживания и оттаивания. Моррозостойкостть характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -15…-17 ºС и оттаивания в воде при температуре около 20 ºС. Выбор температуры замораживания не выше -15…-17 ºС вызван тем, что при более высокой температуры вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число цикло (марка), которое должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении и климатических условий. Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5%, а прочность не более чем на 15% (для некоторых материалов на 25%). Для определения морозостойкости иногда используют ускоренные методы испытаний, например с помощью сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при е высыхании в порах образца воспроизводит механическое действие замерзающей воды, но более сильной степени, чем вода при замерзании. Морозостойкость определяет срок службы (долговечность) частей сооружения, подвергающихся много кратному замораживанию и оттаиванию. К ним относятся наружные стены жилых и промышленных зданий, покрытия зданий, сооружения промышленной гидротехники ( например, градирни), наружные части гидросооружений, бетонные покрытия дорог и др. Бетон, применяемый в строительстве таких сооружений, должен быть не только прочным, но и морозостойким.

Механические свойства строительных материалов. Прочность, методы определения. Привести значения прочности некоторых важных строительных материалов. Теоретическая прочность и влияние дифектов структуры на прочность (примеры).

Механические свойства — способность м-ла сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры. Внешние силы, действующие на м-л, стремятся его деформировать, т. е. изменить взаиморасположение составляющих частиц, и довести эти изменения до величины, при которой м-л разрушается.

Прочность – св-во м-ла сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформация, возникающим под действием внешних нагрузок и др. факторов.

Прочность материалов явл-ся основной строительной характеристикой, т. к. все м-лы в сооружениях всегда подвергаются тем или иным воздействиям, вызывающим напряженное состояние (сжатие, изгиб, растяжение, срез). Значение прочностных показателей позволяет рассчитать механические и экономически целесообразное сечение конструкции из данного материала. Прочность оценивают пределом прочности (Па), который условно равен макс. напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала, и на сжатие. Определяется по формуле: σ=F/A (F – разрушающая сила (Н), А – площадь сечения образца до испытания (м²))

Предел прочности материала характеризует его марку. По пределу прочности при сжатии установлены марки в широких пределах от 0,5 до 1000 МПа и более. У большинства материалов, кроме древесины, стали и полимеров, предел прочности при растяжении и изгибе значительно ниже, чем при сжатии. Например, у каменных мат-лов, работающих в сооружении, действующие напряжения должны быть меньше величины предела прочности, т.е. они должны иметь запас прочности. Необходимость создания запаса прочности вызывается рядом причин: неоднородность материала, возможность значительной деформации еще до предела прочности и появление трещин, усталость мат-ла при переменных нагрузках и его «старение» под влиянием окружающей среды. Запас прочности устанавливается нормативными требованиями в зависимости от вида и качества мат-лов, долговечности, класса сооружения. Для оценки прочностной эффективности часто используют коэффициент конструктивного качества (к.к.к.), который определяется делением предела прочности при сжатии на относительную плотность мат-ла: к.к.к.= σ/d. Наряду с прямыми способами оценки прочности строительных мат-ов применяются также методы контроля прочности без разрушения. Широкое распространение получили приборы механического действия, основанные на принципе заглубления в мат-л (например, бетон) и получения величины пластической деформации, а также на принципе упругого откоса от поверхности материала и получения величины упругости деформации. Наиболее популярным является молоток К.П. Кашкарова. При нанесении удара на поверхности материала образуется два отпечатка: на бетоне и на стальном эталоне. По величине этих отношений с помощью тарировочного графика можно получить численные значения показателя прочности бетона. Метод определения прочности бетона основан на зависимости между упругостью бетона, определяемой по величине откоса ударяющего тела, и его прочностью. Величина откоса в процентах к величине пути при ударе молотка характеризует прочность бетона. Для получения численных значений прочности также требуется наличие тарировочной кривой. Для эффективной работы с такими приборами предварительно необходимо проводить тщательную их тарировку, так как результаты измерений оказывает влияние большое количество разнообразных факторов: состав, влажность, температура и пр. К физическим методам контроля относятся электронно-акустические, радиометрические и магнитные методы испытания. Электронно-акустические методы подразделяются на: а) импульсный метод испытаний (применяется для определения изменений структуры и других свойств материала, от которых зависит его прочность, например наличие трещин. Они основаны на определении скорости распространения упругих волн в материале и характеристике их поглощения); б) вибрационный метод испытаний ( позволяет оценить не только качество, но и получить представление о наличии дефектов в структуре материала и изделия).

С помощью радиометрических методов можно определить влажность и среднюю плотность материала, степень уплотнения бетонной смеси, расположение арматуры в железобетонной конструкции и т.д. Магнитные методы позволяют определить степень натяжения арматуры при производстве предварительно-натяженных ж/б конструкций, контроля расположения арматуры. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении или после установки в сооружениях.

Прочность некоторых материалов в МПа (кгс/см²) :

гранит…………………………………..100-200 (1000-2200)

известняк плотный…………………….10-150 (100-1500)

кирпич глиняный обыкновенный…….7,5-20 (75-200)

бетон…………………………..………..5-60 (50-600)

сосна (вдоль волокон)……….………..30-45 (300-450)

дуб (вдоль волокон)…………….……..45-50 (400-500)

сталь Ст3……………………….……..380-450 (3800-4500)

Теоретическая прочностьодного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Теор. прочность σтеор получают из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей. Уравнение Орована-Келли: σтеор=√(ЕЭ/а), где Е-модуль упругости, Э-поверхностная энергия твердого тела на 1см², а-межатомное расстояние (в среднем 2*10-8см). Теоретическая прочность стекла при конатной температуре — 14000МПа, а прочность на растяжение тонких стеклянных волокон (тольщиной 3-5мкм) – 3500-5000 МПа, а обыкновенного стекла — только 70-150 МПа. Следовательно, используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала: прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *