Pomiar współczynnika przewodzenia ciepła materiałów izolacyjnych.

Przewodzeniem ciepła nazywamy przekazywanie energii cieplnej z jednej cząsteczki ciała do drugiej, bez zmiany pozycji cząsteczek. Jest to ruch ciepła wewnątrz nieruchomego ciała.

Pod względem przewodności cieplnej dzielimy ciała na:
a) dobre przewodniki ciepła, np. metale
b) złe przewodniki ciepła, np. szkło, porcelana, drewno
c) izolatory ciepła (materiały ciepłochronne), np. azbest, korek.
Przewodzenie ciepła zachodzi w pierwszym rzędzie w ciałach stałych, w cieczach zachodzi słabo, a w gazach jeszcze słabiej.
Przewodzenie ciepła w ciałach stałych jest w dużej mierze powiązane ze strumieniem ciepła i gradientem temperatury. Jest ono na ogół zgodne z prawem Fouriera które mówi że przewodzenie strumienia ciepła jest wprost proporcjonalne do gradientu temperatury. Przy przewodzeniu ciepła największe współczynniki mają czyste metale, w których dominuje przewodzenie ciepła za pomocą ruchów elektronów. Przykładowo przy temperaturze 0°C srebro ma : 419 W/(m*K), miedź : 386 W/(m*K). Współczynniki przewodzenia ciepła przez dielektryki są znacznie mniejsze gdyż przenoszą ciepło poprzez drgania atomów. Wartości przewodzenia ciepła dla materiałów budowlanych wynoszą od 0,023 W/(m*K) do 2,9 W/(m*K). Współczynnik przewodzenia ciepła można określić także dla cieczy i gazów, pod warunkiem, że ich cząsteczki są nieruchome, tj. nie mogą wykonywać ruchów konwekcyjnych. Współczynniki gazów mają niewielkie wartości ze względu na przenoszenie ciepła za pomocą ruchu cząsteczek.

Lambda dla różnych materiałów w bardzo silny sposób jest związana z ich rodzajem i budową wewnętrzną. Wśród ciał stałych metale są najlepszymi przewodnikami ciepła, a więc ciała o uporządkowanej krystalicznej budowie wewnętrznej, Występuje w nich elektronowe przewodzenie ciepła. Spowodowane jest to swobodnym ruchem elektronów, w mniejszej przez drgania atomów w węzłach. Współczynnik λ dla aluminium 200 W/(mK), a dla stali 58 W/(mK). Z tego powodu, aluminiowe ramki oddzielające szyby w nowoczesnych oknach zastępowano ramkami stalowymi, a teraz także ramkami z tworzywa sztucznego, o przewodności cieplnej kilkadziesiąt razy niższej od stali.

Współczynniki przewodzenia ciepła metali zależą również od technologii ich otrzymania, decydującej o ilości zanieczyszczeń i o strukturze metalu. Z kolei dielektryki bardzo źle przewodzą ciepło i występuje w nich fotonowe przewodzenie ciepła. Są to materiały głównie budowlane i izolacyjne. Na materiały porowate duży wpływ ma również ich zwilgocenie. Przykładowo sucha cegła ma 0,35W/(m*K), a po zwilgoceniu już 1 W/(m*K). Jest to spowodowane wymianą ciepła poprzez konwekcję z przepływem wody przez przewody.

Znakomitym izolatorem jest powietrze. Lambda powietrza wynosi zaledwie ok. 0.025 W/(mK). Przewodność cieplna nieruchomej wody wynosi 0.58 W/(mK), a więc woda jest ponad dwadzieścia razy gorszym izolatorem niż powietrze. Dlatego właśnie zawilgocone materiały (na przykład papier) szybko tracą swe właściwości izolacyjne.

Przewodność cieplną materiałów budowlanych określa się doświadczalnie (przez badania próbek materiałów w specjalnych urządzeniach badawczych). Badania materiałów do izolacji cieplnej najczęściej prowadzi się przy średniej temperaturze próbki 10 ^oC, a innych 23 ^oC. Przewodność cieplna jest zależna od wielu zmiennych, głównie od gęstości, zawartości wilgoci, temperatury (dotyczy to praktycznie tylko materiałów do izolacji cieplnej), składu chemicznego, porowatości, czasu od wyprodukowania (dotyczy niektórych spienionych

Podstawowym prawem opisującym zjawisko przewodzenia ciepła jest prawo Fouriera:

Gdzie: q- gęstość natężenia strumienia ciepła, którego wartość definiuje się jako:

∆Q- ilość ciepła przewodzonego przez element o powierzchni A, odniesiona do jednostki czasu,

T - temperatura,

n- wymiar liniowy w kierunku normalnym do powierzchni A,

t- czas,

λ- współczynnik przewodzenia ciepła (przewodność cieplna materiałów).

W doświadczeniu został wykorzystany układ, w którym badana próbka betonu „2” jest umieszczona pomiędzy dwoma ciałami: grzejnicą ( chłodnicą) „1” i płytka akumulującą ciepło „3”.

Przez nagrzewnicę przepływa woda o stałej temperaturze tak, że temperatura na jej powierzchni styku z badaną próbką można przyjąć za stałą i równą T₁. płytka akumulacyjna jest wykonana z miedzi, dla której można przyjąć stałą temperaturę.

Przy tych założeniach można napisać następujące równanie bilansu ciepła:

Gdzie:
- ciepło przepływające przez badaną próbkę w czasie dt ,

ς₃, c₃, V₃- odpowiednio gęstość, ciepło właściwe i objętość miedzianego krążka,

dT- przyrost temperatury ciała po dostarczeniu ciepła
w czasie dt.

Zakładając liniowy rozkład temperatur w próbce, można zapisać następującą zależność na moc ciepła przewodzonego:

Gdzie: λ₂- przewodność cieplna badanej próbki,

δ₂- grubość próbki,

A- pole powierzchni,

T₁- temperatura grzejnicy,

T= T(t)- temperatura miedzianego krążka.

Po wstawieniu tej zależności do równania bilansu ciepła otrzymujemy:

Całkując powyższe równanie uzyskujemy:

Gdzie wykorzystano warunek początkowy: t=0 ═> T=T₀

Zależność ta służy do wyznaczania współczynnika przewodzenia ciepła badanej próbki.

Współczynnik przewodzenia ciepła próbki betonu został wyznaczony dla dwóch

przypadków:

• w procesie nagrzewania,

• w procesie chłodzenia.

Współczynnik przewodzenia badanego materiału można obliczyć wg następującej zależności:

[ W/ m*K]

Gdzie : δ₃= 0,01 m,

ς₃= 8954 kg/m³

c₃=383 J/kg*K

δ₂= 10,7 mm= 0,0107 m (zmierzona grubość próbki),

tgα=-0,0012 (wartośc wyznaczona na podstawie wykresu).

[ W/ m*K]

λ_2g= 0,44 [ W/ m*K]

[ W/ m*K]

Gdzie : δ₃= 0,01 m,

ς₃= 8954 kg/m³

c₃=383 J/kg*K

δ₂= 10,7 mm= 0,0107 m (zmierzona grubość próbki),

tgα=-0,0015 (wartośc wyznaczona na podstawie wykresu).

[ W/ m*K]

λ_2ch= 0,55 [W/ m*K]

Ostatecznie średni współczynnik przewodzenia badanego materiału wynosi:

[W/ m*K]

[W/ m*K]

[W/ m*K]

Wnioski.

Przewodność cieplna materiałów budowlanych - określa izolacyjność termiczną materiałów budowlanych. Im jest on mniejszy tym dany materiał mniej przewodzi ciepła, czyli jego izolacyjność termiczna jest większa.

Doświadczalny współczynnik przewodzenia ciepła badanej próbki betonu wynosi

0, 495 W/ m*K.

---