1.3 Свойства объема

Плотность (ϫ_пл)- масса единицы объема вещества без пор. Большинство природных и искусственных материалов (кроме металлов) на 97 % состоит из соединений кремния (кремнезема, силикатов, алюмосиликатов), поэтому их плотность изменяется в незначительном диапазоне: 2,4-3,1 г/см³. Плотность органических материалов (жидкостей и полимеров) тоже находится в сравнительно и пределах: 1-1,6 г/см³, так как элементы этих материалов (углеров, азот, кислород) соответственно их атомным весам (12, 14, 16) находятся в таблице Менделеева рядом.

Объемная масса (ϫ₀) - масса единицы объема материала в естественном состоянии, включая поры.

Пористость - доля пор в объеме материала. Пористость (%) определяют по формуле: П= (ϫпл- ϫ0 )*100/ϫпл. Для металлов П - доли чипы, у керамики П=1 - 60 %, у пенопласта П = 90-95 %. От пористости зависят многие свойства материала: объемная масса,

прочность. водопоглощение, водопроницаемость, теплопроводность и др. Открытую пористость иногда оценивают по водопоглощению.

Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать в себе некоторое количество воды. Различают водопоглощение по объему В₀ и по массе В_м. Их значения в процентах рассчитывают по формулам В₀= (m₁ - m)-100/V; В_м= (m₁ - m)-100/m, где m и m₁ соответственно масса сухого и насыщенного водой образца, V – его объем. Обычно В₀< П, так как вода не проникает в часть пор.

Гигроскопичность - способность поглощать водяные пары из воздуха. Поглощение (сорбция) водяных паров сопровождается капиллярной конденсацией, т.е. сжижением пара, а иногда и химическим взаимодействием с материалом - хемосорбцией, часто приводит к ухудшению свойств.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Обратное свойство называют водонепроницаемостью. Материалы, у которых ϫ₀ и ϫ_пл близки, практически водонерпоницаемы (стекло, сталь).

Теплофизические свойства материалов необходимы при проектировании ограждающих конструкций зданий и сооружений и определяют выбор материалов для них. Проблему термонапряженного состояния конструкций также невозможно решить без знания теплофизических свойств материалов

Теплоемкость - это способность материала поглощать тепло при нагревании и отдавать тепло при охлаждении.

Если мы сообщим телу бесконечно малое количество тепла dQ, то температура тела повысится на dQ, Отношение C=dQ/dt называется теплоемкостью системы. Согласно первому началу термодинамики сообщенная телу теплота частично идет на увеличение его внутренней энергии U (энергии колебательного движения атомов решетки и энергетического уровня электронов) и частично превращается в работу по увеличению объема V: dQ=dU+pdV. Разделив обе части этого уравнения на dT, и полагая постоянным сначала давление (p=const), а затем объем (У=const) получим для теплоемкости два разных выражения:

C_p=(dU/dT)_p+p(dV/dT)_P и C_v=(dU/dT)_v

__ с₁т₁+с₂т₂+... + c_nт_п n n

с = ∑c_im_i / ∑m_i

т,+т_г+... + т_{п i=1 i=1}

В отношении физического смысла теплоемкость при постоянном давлении С_р является более сложной величиной, чем Су, но ее легче определить экспериментально, т. к. стабилизировать давление при испытании гораздо проще, чем объем. Для практических же целей вполне достаточно точности определения теплоемкости при обычном атмосферном давлении, которое изменяется в незначительных пределах.

Характеристикой материала является удельная теплоемкость с=С_р/m (m - масса тела), представляющая собой количество тепла в Дж, которое нужно сообщить телу массой 1 кг при постоянном давлении, чтобы температура его поднялась на 1 К.

Приближенный результат для многофазных систем можно получить по правилу аддитивности, если для каждой из п фаз известны удельная теплоемкость С_i и масса m_i:

Теплоемкость можно вычислить по теории Дебая только для химических элементов, для остальных веществ ее определяют экспериментально, для бетона, например, способом А. А. Парийского. При этом (рис. 1.5) бетонную смесь укладывают в тонкостенный цилиндрический стакан 2 из белой жести. Внутрь образца закладывают электрический нагреватель 3 в виде спирали из изолированной нихромовой проволоки и тонкостенную трубочку размещения термометра. После окончания срока твердения образец 1 а в стакане 2 помещают в сосуд Дьюара 4 и закрывают теплоизолирующей пробкой 5, через которую пропускают провода электрического нагревателя и конец термометра. Сосуд Дьюара с содержимым размещают в воздушном термостате 6, в котором осуществляется постоянное перемешивание воздуха вентилятором 7 и поддержание его температуры на одном и том же уровне t_c=const с помощью электрического нагревателя 8.

Перед опытом бетонный образец охлаждают до температуры ниже температуры среды t_c, а в процессе опыта, в течение времени т, нагревают от температуры t₁ до температуры t₂, подавая стабилизированное напряжение (U/=const) на нагреватель образца (рис. 2.2-а). Силу тока I измеряют амперметром А, а напряжение U - вольтметром V. Теплота, выделенная нагревателем, по закону Джоуля равна Q=IUt, где т - время. Она расходуется не только на повышение температуры образца. Часть ее Q_m идет на нагрев элементов термоса: внутренних стенок сосуда Дьюара, жестяного стакана 2, конца термометра, части пробки 5 и самого нагревателя 3. Из-за большой термического сопротивления сосуда Дьюара и пенопластовой пробки, при очень медленном нагреве образца можно считать температур внутри термоса t_x одинаковой для образца и всех остальных элементов. Тогда Q_m=C_m(t₂-t₁), где C_m=∑c_im_i – аддитивная теплоемкость всех элементов внутри термоса.

Рис. 1.5. Схема калориметра для определения теплоемкости бетона (а) и график повышения температуры образца во времени (б): 1 - образец бетона; 2 - металлический стакан; 3 - нагревательная проволока; 4 - сосуд Дьюара; 5 - пенопластовая пробка; 6 - термостат; 7- вентилятор;

8 - нагреватель

Пока температура образца t_x остается ниже температуры среды t_c (t_x<t_c), образец приобретает дополнительное количество тепла Q₁ за счет теплообмена со средой через стенки термоса, а при t_x>t_с, наоборот - теряет определенное количество теплоты Q₂.

Если опыт провести так, чтобы количество потерянной и приобретенной теплоты было одинаковым (Q₁=-Q₂), то в сумме они дадут 0, и тогда

Q=(C_m+C_Б)(t₂-t₁), (1.1)

откуда

C_Б=Q/(t₂-t₁)~C_m или C_Б=UIt/(t₂-t₁)-C_m (1.2)

Для этого моменты времени т₁ и т₂ (температуры t₁ и t₂) нужно выбрать так, чтобы площади и F₂ были равны (см. рис. 1.5-6).

Аддитивную теплоемкость внутренних элементов термоса находят экспериментально, проводя тот же самый опыт, только вместо бетона в стакан 2 заливают дистиллированную воду, теплоемкость которой равна С_в=с_вт_в, где c_в=4,18 кДж/(кг*К) - удельная теплоемкость воды; т_в - масса воды в стакане 2. Тогда в уравнении (1.1) вместо С_Б войдет известная величина Св, что позволяет найти C_m=UIТ/(t₂-t₁)-C_B.

Теплопроводность - это способность тела передавать тепло внутри себя от горячих частей к холодным.

Если нагревать на огне один конец металлического стержня, то очень скоро можно почувствовать, что и другой его конец стал горячим . Это происходит потому, что атомы на горячем конце, увеличив частоту и амплитуду своих колебаний, воздействуют на соседние менее нагретые атомы, заставляя их колебаться сильнее. Те в свою очередь передают часть энергии колебаний дальше, и так тепло распространяется от горячего конца к холодному. Теплота во всех твердых телах передается колебаниями решетки (атомных ядер). В металлах в переносе тепла участвуют также электроны проводимости, причем их вклад в теплопроводность на 2 порядка выше, чем решетки. Поэтому теплопроводность металлов очень высока.

Количественная (квантовая) теория теплопроводности весьма Она рассматривает процесс переноса теплоты квантами звуковой энергии (фононами). Для многофазных систем эта теория пока не может быть реализована, т. к. межфазная поверхность отражает и частично рассеивает фононы. Поэтому, например, сплавы обладают значительно меньшей теплопроводностью, чем чистые металлы.

В основе классической теории теплопроводности лежит закон Фурье который для плоскопараллельной однородной стенки (рис. 1.6- а) с температурой, изменяющейся только в одном направлении - по толщине стенки δ, и независящей от времени т, имеет вид:

(1.3)

Q=λ(t₁-t₂)A_τ/δ

Где Q – количество теплоты, прошедшее через стенку, толщиной δ, площадью A, за время т, при разности температур на поверхностях стены ∆t=(t₁-t₂) - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутренней теплопроводности.

Выражая λ из уравнения (1.3) - λ=Qδ/(∆tAт) - и подставляя δ=1 м, ∆t=1 K, A=1 м², т=1 с, получаем физический смысл для А.

Коэффициент внутренней теплопроводности - есть количество проходящее через однородную стенку, толщиной 1 м, площадью 1 м², за время 1 с, при разности температур поверхностях стены 1 К. Единицы измерения λ - Вт/(м*°С).

Уравнение (1.3) путем деления обеих частей на А_т приводится виду

q=-λ*grad t, (1.4)

где q=Q/Aт - тепловой поток (количество теплоты, проходящее через площадь в 1 м² за 1 с); grad t=(t₁-t₂)/δ=tg α - градиент температуры (см. рис. 1.6-а).

Уравнение (1.4) - векторное. Знак минус показывает, что направление теплового потока противоположно направлению градиента температуры, т. е. направлению, в котором температура растет быстрее всего.

Закон Фурье не учитывает зависимость λ от температуры. Для плохо проводящих материалов при температуре t=100-800 ⁰C эта зависимость может быть описана уравнением λ_t=λ₀(1+βt), где β – положительное число, λ_t и λ₀ - коэффициент теплопроводности, соответственно при температуре t и 0 ⁰C.

Рис. 1.6. Устройство для определения теплопроводности: 1-образец материала; 2-основной нагреватель; 3-водяной холодильник; 4-озранное кольцо из испытуемого материала; 5-нагреватель охранного кольца; 6-теплоизоляция

Для неподвижного воздуха при t=0-200 ⁰C λ очень сильно зависит от температуры согласно уравнению λ_t=λ₀(1+0,0032t), где λ₀=0,0238 Вт/(м*⁰С). Для строительных материалов , работающих в узком интервале температур, зависимость λ(t) обычно не принимают во внимание. Оставшиеся факторы, влияющие на λ, относят к особенностям материала. Поэтому λ является характеристикой его теплоизоляционных свойств. Чием ниже λ, тем выше теплоизоляционные свойства материала, которые зависят в основном от двух его характеристик – пористости и влажности.

Пористость - это единственный фактор, позволяющий снизить теплопроводность материала (табл. 1.2).

При заполнении объема материала порами (воздухом) его теплопроводность резко снижается, т.к. λ неподвижного воздуха очень мала гораздо меньше, чем у твердой части материала. Конвекция (перемещение) воздуха в порах повышает теплопроводность. Для уменьшения конвекции размеры конвекции должны быть как можно меньше. Лучшими теплоизоляционными материалами являются материалы с высокой (близкой к 100%) пористостью и исключительно малыми изолированными друг от друга порами. Теплопроводность таких материалов приближается к теплопроводности воздуха.

Таблица 1.2

Пористость, %	λ, Вт(м*0С)
25	0.80
38	0,70
54	0,44

Объемная масса связана с истинной пористостью линейной зависимостью γо=γ(1-По/100) и поэтому служит косвенной характеристикой теплоизоляционных свойств материала. Чем меньше γ_о, тем меньше λ и тем лучше теплоизоляционные свойства, но ниже прочность материала.

Влажность сильно влияет на теплопроводность материалов. Коэффициент λ сухого воздуха (без конвективного теплообмена) составляет 0,024 т/(м*К), а для воды λ =0,8 Вт/(м*К), что в 25 раз выше. При замене воздуха в порах материала водой теплопроводность растет почти линейно с возрастанием объемной влажности W0, что может быть описано формулой:

λw=λ+αW₀,

где λ – теплопроводность сухого материала; α - угловой коэффициент, определяемый экспериментально. Для различных материалов α лежит в пределах в пределах от 0,002 до 0,004, т.у. с каждым процентом влажности W0 теплопроводность материала возрастает на 0,002-0,004 Вт/(м*К). В случае замерзания воды в порах α увеличится в 4 раза, т.к. λ льда составляет 2,32 Вт/(м*К). Отсюда вытекает необходимость защищать теплоизолированные материалы от увлажнения.

Способ определения λ. При экспериментальном определении обеспечивают условия применимости закона Фурье (2.17), т.е. стационарный тепловой режим, когда температуры t₁ и t₂ постоянны во времени. Кроме того, нужно обеспечить постоянство температуры по всей площади обеих поверхностей образца, выполненного в виде пластины (рис. 2.3-6).

колебания

Между двумя одинаковыми пластинами испытуемого материала 1 размещают плоский электрический нагреватель 2. К наружным поверхностям образцов плотно прижимают плоские водяные холодильники 3, представляющие собой медные коробки, через которые пропускается вода из термостата со строго постоянной температурой. Для того чтобы исключить потери тепла и искажение температурного поля на краях испытуемых пластин, по контуру вокруг них устанавливают так называемое охранное кольцо, состоящее двух колец испытуемого материала 4 и кольцевого электрического нагревателя 5, размещенного между ними. В точках t1, t2, t3, и t4 помещают спаи термопар для измерения температуры. Все устройство теплоизориуют от внешней среды пенопластом 6.

Нагреватели 2 и 5 работают раздельно. Благодаря охранному кольцу все тепло, выделяемое нагревателем 2, равное Q=U/т, проходит через образцы материала. Поскольку температуры t₂ и t₄ равные температуре холодильника, фиксированы, то от мощности соответствующих нагревателей зависят только температуры t₁ и t₃. Напряжение, подаваемое на нагреватель 5 охранного кольца, подбирается таким, чтобы обеспечить равенство температур t₁ и t₃. Когда это равенство будет достигнуто и установится постоянство температур во времени, снимают показания термопар (t₁ и t₂), а также значения тока I и напряжения U в цепи нагревателя образцов 2.

Коэффициент внутренней теплопроводности рассчитывают по формуле: λ=UIδ/[(t₁-t₂)2A] где δ - толщина, а А - площадь одной из пластин испытуемого материала.

Расчет толщины стены δ производится исходя из значения термического сопротивления материала стены R=δ/λ обеспечивающего нормальную температуру (20 ⁰С) в помещении при экономном отоплении.

Теплоустойчивость - это способность материала сохранять температуру помещения неизменной при периодическом отоплении. В табл. 1.3 приведены колебания температуры воздуха в помещении при топке 1 раз в сутки.

6-9 1,0-1,4 1,0-1,5 КЛТР, 10~5/°С 1,1-1,2 Материал стен	Толщина стен, м, при одном и том же термическом сопротивлении (R=0,8 м2*0С/Вт)	Температура, 0С
		Перед топкой	После топки	колебания
Кирпич	0,64	17	23	20±3
Сосна	0,14	14	26	20±6
Пенополистерол	0,03	5	35	20±15

Теплоустойчивость материала характеризуют коэффициентом теплоусвоения s, значение которого рассчитывается по формуле:

S=√2πλcγ₀ / Z

где λ – коэффициент внутренней теплопроводности; с – удельная теплоемкость; γ₀ – объемная масса материала; Z - период колебания температуры.

Из формулы видно, что легкие теплоизоляционные материалы не могут обеспечить хорошую теплоустойчивость стен. Для этого нужны наоборот тяжелые, хорошо подводящие теплоту и имеющие высокую теплоемкость материалы.

Материал	λ, Вт/(с*0С)	с, кДж/(кг*0С)	S, Вт/(м2*0С)	КЛТР, 10-5/0С
Гранит	3,49	0,88	79,1	1,0-1,5
Бетон (тяжелый)	1,4	1,05	50,6	1,0-1,4
Кирпич (кладка)	0,8	0,80	28,9	-
Сосна (поперек волокон)	0,17	2,3	11,9	0,4-0,7
Пенополистерол	0,4	1,34	1,25	6-9
Воздух (неподвижный)	0,024	-	-	-
Вода	0,58	4,18	42,0	-
Лед	2,3	2,1	56,7	-
Сталь	58	0,46	389	1,1-1,2
Медь	4,1	0,39	1007	-

Огнеупорность - способность материала без размягчения и заметной деформации выдерживать длительное воздействие температуры свыше 1580 ⁰С. К огнеупорам относят, например, карбид кремния (SiC), используемый для электронагревателей.

Огнестойкость - способность материала сопротивляться действию огня в условиях пожара.

Радиационная стойкость - способность сохранять свойства после облучения рентгеновскими или γ - лучами, нейтронам осколками ядер, α - частицами высокой энергии. Характеризуют необходимым числом частиц на единицу площади для ухудшения характеристик вещества, например, нейтрон/м². Полупроводниковые материалы повреждаются дозой в 10^1В нейтрон/м², а диэлектрики выдерживают дозы до 10²² нейтрон/м².

Электропроводность - способность материала проводить электрический ток. Характеризуют удельным сопротивлением ρ и удельной проводимостью X. Для образца длиной l с постоянным поперечным сечением S и сопротивлением R удельное сопротивление вычисляют по формуле р = 1/λ=RS/l. Электропроводность различают по названию свободных носителей зарядов: электронная, ионная, молионная.