Теплопроводность кирпича – это способность проводить тепло через толщу материала при наличии разности температур на противоположных поверхностях выравнивая температуру материала. Если обе поверхности кирпичной стены имеют одинаковые температуры, то они находятся в тепловом равновесии, и какой-либо теплообмен между ними не происходит. При наличии же разности температур происходит передача тепла из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой до тех пор, пока не установится тепловое равновесие (рис. 1).
Происходит такой теплообмен, когда молекулы приводятся в возбужденное состояние тепловой энергией, поступающей от источника с одной из сторон материала. Эти молекулы передают энергию (тепло) холодной стороне материала. Поэтому теплопроводность осуществляется в условиях тесного соприкосновения между отдельными мельчайшими частицами материала (атомами, ионами, электронами, молекулами) и неравенства температур в отдельных точках, т.е. между неподвижными частицами твердого, жидкого или газообразного вещества. Однако в чистом виде теплопроводность встречается, как правило, только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.
Хорошим проводником тепла является металл, средним - дерево и плохим - воздух. Если при строительстве кирпичных зданий применять материалы, то теплопроводность увеличится и потери тепла, а следовательно расходуемая энергия будут велики.
Рис. 1. Схема передачи тепла при разности температур
Теплопроводность кирпича характеризуется коэффициентом теплопроводности. Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем меньше потери тепла при одной и той же толщине материала и одинаковых климатических условиях.
Коэффициент теплопроводности кирпича зависит от многих факторов, в т.ч. от атомно-молекулярного строения вещества, но во всех случаях он во много раз превышает теплопроводность воздуха. В целом, условный ряд веществ по мере возрастания их теплопроводности Вт/(м•К) можно представить в следующем виде:
- газы [в пределах значений от 0,02 до 0,6 (воздух – 0,024)];
- полимеры (полистирол – 0,084; полиэтилен – 0,34);
- жидкости [в пределах от 0,07 до 0,7 (вода – 0,58; лёд – 2,32)];
- стекла (силикатное – 0,75);
- кристаллы (кварц – 7...8, корунд – 30, графит – 180);
- металлы (железо – 73,2; алюминий – 230; серебро – 425), т.е. теплопроводность воздуха почти в 18 тыс. раз ниже, чем у серебра. Самая высокая теплопроводность у графена (разновидность, модификации углерода) – 3...5 тыс.
Теплопроводность кирпича и блоков уменьшается с увеличением их пористости. У пористых материалов тепловой поток проходит через их массу и поры, наполненные воздухом. Следовательно, теплопроводность пористых материалов имеет промежуточное значение между значениями теплопроводности их веществ и воздуха. Чем больше пористость, тем ниже теплопроводность и наоборот. Например, теплопроводность тяжёлого бетона – 1,2...1,5; лёгкого бетона на пористых заполнителях – 0,3...0,7; пено- и газобетона – 0,2...0,4; древесины – 0,16...0.30; пенопласта – 0,04...0,06 Вт/(м•К). Однако при прочих равных условиях наименьшей теплопроводностью будет обладать материал, поры у которого мелкие, равномерно распределённые по всему объёму и замкнутые. Вместе с тем наличие открытых пор в гидрофильных материалах приводит к повышению теплопроводности. Так как средняя плотность материала, так же как и теплопроводность, обратно пропорциональна пористости, то она может служить косвенной характеристикой теплопроводности материала и использоваться в качестве марки материала по теплопроводности. Не стоит также забывать, что пористость снижает прочность изделий, именно поэтому станки для кирпича и плитки имеют высокие усилия прессования с целью получения плотного облицовочного кирпича.
С увеличением влажности кирпича его теплопроводность увеличивается, потому что при увлажнении происходит вытеснение сухого воздуха из пор материала и замещение его водой или влажным воздухом, теплопроводность которых значительно выше. Наглядно это можно проследить на примере материала, поры у которого могут быть заполнены воздухом, водой или льдом: теплопроводность воздуха – 0,024, воды – 0,58, а льда – 2,32 Вт/(м•К). Во втором случае теплопроводность увеличивается в 25 раз, а в третьем – в 100 раз. Либо на примере керамического полнотелого кирпича в сухом, в условиях равновесной влажности и во влажном состоянии. Теплопроводность такого кирпича соответственно будет составлять – 0,56; 0,7 и 0,81 Вт/(м•К).
Знать теплопроводность необходимо при теплотехнических расчётах стен, перекрытий, тепловой изоляции трубопроводов. Чем меньше теплопроводность материала, тем меньше толщина ограждения, а, следовательно, меньше затрачивается материала на единицу его площади. Теплопроводность является также определяющей характеристикой качества теплоизоляционных материалов, у которых теплопроводность должна быть не более 0,175 Вт/(м•К). В большинстве случаев коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов определяется опытным путем (рис. 2) [СТБ 1618, СТБ EN 12667 12 939, ГОСТ 7076].
Рис. 2. Мобильные измерители теплопроводности
В справочно-технической литературе величина теплопроводности кирпича приводится обычно в сухом состоянии при температуре и влажности в соответствии с нормативными документами и служит сравнительной характеристикой при оценке теплозащитных свойств различных материалов. Причем, согласно требованиям европейских стандартов использование показателя теплопроводности предполагается с обеспеченностью 90/90 (90%-ный доверительный интервал с уровнем вероятности 90%). Это означает, что заявленное значение показателя теплопроводности изделий теплоизоляции зданий принимается из условия, что 90 % результатов измерений этого показателя находятся в пределах 90 % от его заявленного значения (СТБ EN 12667, 12939 и 6946). Кроме того, в ряде случаев теплопроводность определяется не в Вт/(м•К), а для упрощения восприятия в мили Вт/(м•К). Например, индекс 37 на упаковке или сопроводительном документе на материал показывает, что теплопроводность составляет 0,037 Вт/(м•К), а 40 – соответственно 0,040 Вт/(м•К).
Поскольку абсолютное большинство теплоизоляционных материалов и изделий имеют пористое либо комбинированное строение, что не позволяет рассматривать их структуру как сплошную среду, то в практических условиях (в конструкциях зданий и сооружений) процесс передачи теплоты от теплой среды к холодной через разделяющее их ограждение происходит всеми видами теплообмена: на поверхностях имеет место конвективный и лучистый теплообмен, а в материальных слоях – теплопроводность. Такой сложный процесс называется теплопередачей. Следовательно, коэффициент теплопроводности пористых и комбинированных материалов – величина условная и характеризует перенос теплоты как теплопроводностью, так конвекцией и тепловым излучением через заполненные газом поры, пустоты и полости в материалах и конструкциях (например, в стеклопакетах) (рис. 3).
Рис. 3. Теплопередача через конструкцию стеклопакета
Конвекция характерна для газообразных и жидких веществ, т.е. «подвижных систем», где перенос тепла происходит в результате движения молекул и перемещения более нагретых частей среды вверх и опускания более холодных. Это вызвано тем, что повышение температуры воздуха (газа) при нагревании ведет к уменьшению его плотности и соответственно перемещению вверх, а охлажденный воздух занимает освободившееся пространство в нижней части среды.
Тепловое излучение или лучистый теплообмен представляет собой процесс передачи тепла с поверхности на поверхность через лучепрозрачную среду электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту, т.е. передача тепловой энергии электромагнитными волнами. Например, излучаемая энергия Солнца, нагревает атмосферу и поверхность земли или нагретая поверхность радиатора излучает тепло и обогревает помещение. Лучепрозрачной средой, пропускающей тепловые волны, в данном случае является воздух.
Термическое сопротивление, сопротивление теплопередаче является величиной обратной теплопроводности и характеризует способность материала или конструкции (например, наружной стеновой панели) препятствовать распространению теплового потока или теплового движения молекул, т.е. характеризует теплозащитные свойства материала или конструкции (СТБ ЕН ИСО 10456, СТБ ИСО 5946 и СТБ ЕН 13162). Определяется термическое сопротивление отношением толщины слоя ограждения к теплопроводности материала.
Термическое сопротивление - величина нормируемая в каждом регионе (в зависимости от температурной зоны эксплуатации) и характеризует все типы ограждающих конструкций с точки зрения их теплозащитных свойств. В настоящее время в Республике Беларусь термическое сопротивление принято: для наружных стен 3,2 (м2•К)/Вт, совмещённых покрытий и чердачных перекрытий - 6,0 (м2•К)/Вт, световых проёмов – 1,0 (м2•К)/Вт. Для сравнения нормативные сопротивления теплопередаче для стен жилых зданий в Финляндии – 5,88, Норвегии, Швеции и Великобритании – 5,56, Германии – 3,57 и Бельгии – 2,0 (м2•К)/Вт.
От нормативного значения термического сопротивления зависит толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий. Чем выше этот показатель, тем лучше ограждение по характеристикам сохранения тепловой энергии, т.е. тем лучше его теплозащитные свойства.
По СТБ ЕН ИСО 7345 термическое сопротивление является расчетным значением, определяемым разностью температур на противоположных поверхностях, к плотности теплового потока, проходящего через слой материала в стационарных условиях.
Теплоёмкость (С) – свойство материала поглощать и аккумулировать тепло при нагревании (Дж/К). Оценивается удельной теплоёмкостью или коэффициентом теплоёмкости в Дж/(кг•К), т.е. это количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 К (ГОСТ 23250, СТБ EN ISO 7345 и 10456). Например, если вода имеет удельную теплоемкость 4,19 кДж/(кг•К), то для повышения температуры 1 кг воды на 1°К требуется 4,19 кДж.
Теплоёмкость зависит от химического состава, строения материалов, их температуры и влажности. У подавляющего большинства материалов теплоёмкость находится в пределах 0,1...2,0 кДж/(кг•К): сталь – 0,48, гранит – 0,65, кирпич и оконное стекло – 0,84, бетон – 1,13, пенополистирол – 1,34, древесина – 1,38 кДж/(кг•К). Таким образом, органические материалы имеют большие значения удельной теплоёмкости, чем неорганические. Наибольшей же теплоёмкостью обладает вода – 4,19 кДж/(кг•К). Только водород (14,3) и аммиак (35,6) обладают большей удельной теплоёмкостью, чем вода. Поэтому с увлажнением материалов их теплоёмкость возрастает, но при этом возрастает и теплопроводность.
Материалы, обладающие высокой теплоёмкостью способны выделять больше тепла при последующем их охлаждении. Как видно из примера, деревянные конструкции способны в несколько раз больше аккумулировать тепла, чем каменные, и поэтому могут постепенно отдавать это тепло, например, внутрь помещений. Учитывается теплоемкость при расчёте теплоустойчивости ограждающих конструкций, затрат на топливо и энергию при обогреве материалов и конструкций, подогреве составляющих бетона и раствора при зимних работах, а также при расчете нагревательных и термических печей.
Тепловое расширение (сжатие) – способность материалов изменять в процессе нагревания или охлаждения свои размеры и форму при постоянном давлении – расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. В основе теплового расширения лежит несимметричность тепловых колебаний атомов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние межатомные расстояния и объем материала увеличивается. Зависит тепловое расширение от химических связей, типа структуры кристаллической решетки, ее анизотропии и пористости материала. Характеристиками теплового расширения являются коэффициенты линейного или объёмного расширения. В строительстве чаще всего используют коэффициент линейного теплового (температурного) расширения (КЛТР).
Коэффициент линейного теплового расширения характеризует изменение линейного размера (длины) при изменении температуры на один градус, т.е. это относительное приращение длины образца, вызванное повышением его температуры на один градус [ГОСТ 32618.2 (ISO 11359-2)]. С повышением температуры коэффициент линейного расширения возрастает. Значения коэффициентов линейного теплового расширения некоторых строительных материалов в интервале температур 15...200°С приведены ниже, размерность КЛТР (10-6К-1):
- Бетон ≈ 14;
- Стекло оконное 9;
- Сталь 12;
- Медь 17;
- Алюминий 23;
- Древесина вдоль волокон 6;
- Древесина поперек волокон 30;
- Стеклянное волокно 5;
- Стеклопластик 5;
- Полиэтилен 160...230;
- Поливинилхлориид (PVC) 80...90;
- Полиэфирные смолы 80...200;
- Полиэстер 123;
- Эпоксидные компаунды 32...60.
В практических условиях нагрев или охлаждение материалов приводит к возникновению достаточно больших термоупругих напряжений, способных разрушить материал или конструкцию. Поэтому тепловое расширение, например, металлов необходимо учитывать при ковке, горячей объёмной штамповке, сварке изделий, прокладке трубопроводов и рельсов железнодорожных путей, соединении мостовых ферм и других металлических конструкций. Чтобы трубопроводы могли свободно удлиняться, оставаясь невредимыми, делают специальные устройства – компенсаторы, которые и воспринимают удлинение трубопроводов при их тепловом расширении, на мостах устанавливают подвижные опоры. У зданий и сооружений большой протяжённости из других материалов предусматривают термические швы. Вместе с тем примерно одинаковые коэффициенты теплового расширения бетона и стали позволили создать и обеспечить совместную работу такого материала как «железобетон».
Например, при изменении температуры от -20 до +30°С размер железобетонной панели длиной 6 м увеличивается на 3 мм, при этом настолько же уменьшается ширина шва между панелями.
По данным различных испытаний теплопроводность сухих силикатных кирпичей и камней колеблется от 0,35 до 0,7 Вт/(м•°С) и находится в линейной зависимости от их средней плотности, и практически не зависит от числа и расположения пустот, что отвечает также DIN 4108 для силикатного кирпича при эксплуатационной влажности (рис. 4).
Испытания в климатической камере фрагментов стен, выложенных из силикатных кирпичей и камней различной пустотности, показали, что теплопроводность стен зависит только от плотности последних. Теплоэффективные стены получаются лишь при использовании многопустотных силикатных кирпичей и камней плотностью не выше 1450 кг/м3 и аккуратном ведении кладки (тонкий слой нежирного раствора плотностью не более 1800 кг/м3, не заполняющего пустоты в кирпиче).
Рис. 4. Теплопроводность силикатного кирпича и кладки из него: 1 - кирпича при W=0%; 2 - кирпича при W=5% по DIN 4108; 3 - кладка стен толщиной в два кирпича
