3. Необходимое оборудование и приборы

Лабораторная установка для изучения процессов теплообмена, пирометр, жидкостные термометры, образцы строительных и теплоизоляционных материалов, стенд «Теплоизоляционные материалы», электронная база данных о современной продукции и ее ведущих производителях и поставщиках, компьютер, Интернет.

4. Краткие теоретические сведения

4.1. Основные виды теплообмена

Т еплота самопроизвольно распространяется от тел с большей темпе­рату­рой к телам с меньшей температурой. При наличии разности темпе­ратур в одном теле или во многих телах (твердых, жидких и газообраз­ных) возникает процесс теплообмена или теплопередачи, который проте­кает тем интенсив­нее, чем больше разность тем­ператур. Теплообмен яв­ляется сложным про­цессом. Для простоты изучения разли­чают три элементарных вида теплооб­мена: теплопро­водность (кондукцию), кон­векцию и тепловое из­лучение.

Рис. 1. Основные элементарные виды теплообмена:

теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

4.2. Теплопроводность

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела, т. е. движением микроструктурных частиц вещества (молекул, ато­мов, ионов, электро­нов). Обмен энергией между движущимися частицами проис­хо­дит в ре­зультате их не­посредственных столкновений; при этом молекулы более нагре­той части тела, имеющие большую энергию, передают часть ее сосед­ним частицам, энергия ко­торых меньше. В газах перенос энергии происходит путем диффузии молекул и атомов, в жидко­стях и твердых ди­электриках - пу­тем упругих волн. В металлах пере­нос энергии осуществля­ется колеблющимися ионами решетки и диффу­зией свободных электронов («электронным газом»): значение упругих колебаний кри­сталлической ре­шетки в этом случае не имеет большого значения.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) является феноме­но­логи­ческим описанием процесса и имеет вид:

grad t , Вт/м², (1)

где q - удельный тепловой поток; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град); grad t - градиент температуры, град/м. Знак минус в урав­нении (1) по­тому, что теплота распростра­няется в сторону падения темпе­ра­туры.

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м∙К), численно равен количеству теплоты, передаваемой в единицу времени через 1 м поверхности стенки толщиной 1 м при разности температур в 1 градус.

Общее количество теплоты, переданное теплопроводностью через стен­ку поверхностью F м² за время t, составит

Q = qFt, Дж. (2)

Величина коэффициента теплопроводности λ зависит от природы тел и от их температуры. Для большинства материалов эта зависимость является линейной:

λ_t = λ_o (1 + bt), (3)

где λ_o и λ_t - значения коэффициентов теплопроводности соответст­венно при 0°С и при t °C; b - постоянная, определяемая экспериментально.

Самые плохие проводники теплоты - газы (для них λ = 0,006-0,6 Вт/(м·град). Некоторые чистые металлы, наоборот, имеют высо­кие зна­чения λ и для них величина его колеблется от 12 до 420 Вт/(м·град).

При­меси к металлам вызывают значительное умень­шение коэффициента теплопро­водности. Например, у чугуна λ тем меньше, чем больше содержится в чу­гуне угле­рода. Для строительных материалов λ = 0,16-1,4 Вт/(м·град).

Пористые материалы, плохо проводящие теплоту, называют теплоизоля­ци­онными и для них значения λ находятся в пре­делах от 0,02 до 0,23 Вт/(м·град). Чем больше пористость материала, т. е. чем больше содержится в нем пузырь­ков малотеплопроводного воздуха, тем меньше он те­плопроводен.