Исследование удельной теплоемкости строительных материалов

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение лицей №87 имени Л.И. Новиковой Удельная теплоёмкость строительных материалов Выполнила : Мухина Валерия , ученица 8 «В» класса Научный руководитель: Овсянникова А.А. Учитель физики Н.Новгород 2013

Цель работы: определить удельную теплоёмкость некоторых видов строительных материалов. Задача работы : Изучить литературу по теме работы Провести эксперимент по определению удельной теплоёмкости некоторых строительных материалов Провести анализ полученных результатов

Если при нагревании тела от Т1 до Т2 оно получило количество теплоты Q , то теплоемкость тела будет численно равна: Теплоемкость тела это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу, чтобы изменить его температуру на 1 ˚ К . .

Если в состав тела входит только одно вещество, то теплоемкость этого тела пропорциональна его массе: C =с m Коэффициент пропорциональности с , характеризующий данное вещество, называется его удельной теплоемкостью. Формула расчёта удельной теплоёмкости: Сp=Q/(m·Δt), где :Сp—удельная теплоёмкость, Q — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении), m — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества, Δt— разность температур, на которую нагрели вещество

Внутренняя энергия тела может изменяться за счет работы внешних сил. Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q . В международной системе единицей количества теплоты, также как работы и энергии, является джоуль: [Q] = [A] = [E] = 1 Дж.

Теплопрово́дность Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела , проходящей через материал площадью 1 кв.м. Коэффициент теплопроводности ( вт / ( м — град)), численно равен плотности теплового потока при градиенте температуры, равном единице.

Технологии строительства зданий Каменная кладка — это конструкция из камней, кирпичей, уложенных на строительном растворе в определенном порядке.

Панельное домостроение — один из способов сборного строительства, основанный на использовании предварительно изготовленных крупных железобетонных панелей и плит заводского производства при возведении крупных жилых, административных и зданий общественного назначения

Моноли́тное строи́тельство — технология возведения зданий и сооружений из железобетона, которая позволяет в короткие сроки возводить здания и сооружения практически любой этажности и формы.

Исследовательская часть Приборы: Термометр Весы Вода(обыкновенная) Калориметр (в качестве калориметра использовался термос ) Твёрдые тела (кирпич силикатный, бетон , дерево (сосна), пенопласт)

Ход работы: 1)С помощью весов определить массу тела. 2)Налить в калориметр предварительно отмеренные мензуркой 300 г воды комнатной температуры. Измерить температуру воды

3)Нагреть тела в сосуде с кипящей водой. Для этого подержать тело в кипящей воде

10 минут Измерить температуру горячей воды (эта температура и будет начальной температурой тела ). Результат измерения записать в таблицу.

4)Опустить термометр в калориметр с водой комнатной температуры. Осторожно опустить нагретое тело в воду и подержать его в воде до тех пор, пока температура воды не перестанет расти. Результат измерения записать в таблицу. (проделываем это с каждым твёрдым телом)

5) Рассчитать количество теплоты Qв, которое получила вода при нагревании, по формуле Qв = Св m в(t — t1), где: Св — удельная теплоемкость воды, кДж/кг∙К; m в – масса воды в калориметре, кг; t – температура воды в калориметре, которая установилась после перенесения в него нагретого тела, ◦С; t1 — комнатная температура воды в калориметре, ◦С.

Зная, что количество теплоты, полученное водой при нагревании (Qв), равно количеству теплоты, отданному телом при охлаждении (Qр) , можно записать, что: Qв = Qр , Тогда: Qр = Ср m р(t — t2), где Ср — удельная теплоемкость вещества тела, кДж/кг∙К; m р – масса вещества тела, кг; t2 — температура тела после нагрева в сосуде, с учетом охлаждения при переносе в калориметр принимается, равной 99 ◦С;

Используя последнюю формулу можно рассчитать удельную теплоемкость вещества тела. Из результатов опытов можно найти теплоёмкость тела, пользуясь тем, что уменьшение энергии охлаждающего тела равно увеличению энергии нагревающейся при этом воды в калориметре. Т. к. в теплообмене участвуют два тела, то Qв + Qр = 0. Значит Св m в(t — t1) = — Ср m р(t — t2), откуда

В таблице 1 представлены результаты измерений температур в калориметре m, кг t1, °С t2, °С t, °С Кирпич 70,32 25 99 28,5 Бетон 69,67 25 99 29 Дерево 46,51 25 99 31,4 Пенопласт 4,33 25 99 25,5 Вода в калориметре 0,3 25

По результатам измерений проведены расчеты количества теплоты переданного горячим телом воде в калориметре, из которых по формуле 1 определены теплоемкости вещества каждого тела. Результаты расчета представлены в таблице 2 Вещество Qр Ср Кирпич 4,41 0,88 Бетон 5,04 1,03 Дерево 8,064 2,56 Пенопласт 0,63 1,97

получены значения теплоемкости строительных материалов: кирпича, бетона, дерева и пенопласта. наименьшее значение теплоемкости получено у кирпича , наибольшее значение- у дерева.

В реальных условиях(с учётом всех физических материалов) кирпичный дом из-за низкой удельной теплоёмкости кирпича требует на нагрев на одинаковую температуру в 2,5 раза тепла меньше, чем деревянный. Однако из-за высокого коэффициента теплопроводности кирпича по сравнению с деревом через кирпичную кладку наружу уходит тепла примерно в 10 раз больше, чем через брёвна. Поэтому на обогрев кирпичного дома требуется больше тепла , чем деревянного. Для того , чтобы снизить количество подведённого тепла в кирпичный дом необходимо или утеплять его стены материалом с низким коэффициентом теплопроводности или увеличивать толщину кирпичных стен.

Определение и формула теплоемкости

Каждое вещество в той или иной степени способно поглощать, запасать и удерживать тепловую энергию. Для описания этого процесса введено понятие теплоемкости, которая является свойством материала поглощать тепловую энергию при нагревании окружающего воздуха.

Чтобы нагреть какой-либо материал массой m от температуры t_нач до температуры t_кон, нужно будет потратить определенное количество тепловой энергии Q, которое будет пропорциональным массе и разнице температур ΔТ (t_кон-t_нач). Поэтому формула теплоемкости будет выглядеть следующим образом: Q = c*m*ΔТ, где с – коэффициент теплоемкости (удельное значение). Его можно рассчитать по формуле: с = Q/(m* ΔТ) (ккал/(кг* °C)).

Условно приняв, что масса вещества равна 1 кг, а ΔТ = 1°C, можно получить, что с = Q (ккал). Это означает, что удельная теплоемкость равна количеству тепловой энергии, которая расходуется на нагревание материала массой 1 кг на 1°C.

Использование теплоемкости на практике

Таблица теплоемкости строительных материалов.

Строительные материалы с высокой теплоемкостью используют для возведения теплоустойчивых конструкций. Это очень важно для частных домов, в которых люди проживают постоянно. Дело в том, что такие конструкции позволяют запасать (аккумулировать) тепло, благодаря чему в доме поддерживается комфортная температура достаточно долгое время. Сначала отопительный прибор нагревает воздух и стены, после чего уже сами стены прогревают воздух. Это позволяет сэкономить денежные средства на отоплении и сделать проживание более уютным. Для дома, в котором люди проживают периодически (например, по выходным), большая теплоемкость стройматериала будет иметь обратный эффект: такое здание будет достаточно сложно быстро натопить.

Значения теплоемкости строительных материалов приведены в СНиП II-3-79. Ниже приведена таблица основных строительных материалов и значения их удельной теплоемкости.

Кирпич обладает высокой теплоемкостью, поэтому идеально подходит для строительства домов и возведенияия печей.

Говоря о теплоемкости, следует отметить, что отопительные печи рекомендуется строить из кирпича, так как значение его теплоемкости достаточно высоко. Это позволяет использовать печь как своеобразный аккумулятор тепла. Теплоаккумуляторы в отопительных системах (особенно в системах водяного отопления) с каждым годом применяются все чаще. Такие устройства удобны тем, что их достаточно 1 раз хорошо нагреть интенсивной топкой твердотопливного котла, после чего они будут обогревать ваш дом на протяжении целого дня и даже больше. Это позволит существенно сэкономить ваш бюджет.

Применение показателя теплопроводности на практике

В строительстве все материалы условно подразделяются на теплоизоляционные и конструкционные. Конструкционное сырье отличается наибольшими показателями теплопроводности, но именно его применяют для постройки стен, перекрытий, прочих ограждений. Согласно таблице теплопроводности строительных материалов, при возведении стен из железобетона, для низкого теплообмена с окружающей средой толщина конструкции должна быть около 6 метров. В таком случае строение получится огромным, громоздким и потребует немалых затрат.

Наглядный пример — при какой толщине различных материалов их коэффициент теплопроводности будет одинаковым

Поэтому при возведении постройки следует отдельное внимание уделять дополнительным теплоизолирующим материалам. Слой теплоизоляции может не понадобиться только для построек из дерева или пенобетона, но даже при использовании подобного низкопроводного сырья толщина конструкции должна быть не менее 50 см.

Нужно знать! У теплоизоляционных материалов значения показателя теплопроводности минимальны.

Теплофизические свойства строительных материалов

К ним относят те свойства материалов, что связаны с изменением температуры. В контексте снижения затрат на энергоносители в холодный период года важнейшими для любого владельца дома являются способность строительных материалов передавать (терять), а так же аккумулировать и держать тепло.

Теплопроводность строительных материалов

Это способность строительного материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур внутри и снаружи здания. Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий) и материалов, предназначенных для теплоизоляции.

Теплопроводность стройматериала зависит от его химического состава, структуры, влажности, пористости и характера пор, разности температур на противоположных его поверхностях и средней температуры при которой происходит передача тепла

Показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности. Этот коэффициент равен количеству тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м 2 в течение 1 часа при разности температур образца в 1°С. Чем он больше, тем хуже теплоизоляционная способность материала. Плотные стройматериалы, материалы с крупными порами и с закрытыми порами лучше передают тепло, поэтому для целей теплоизоляции стараются применять мелкопористые материалы и материалы с открытыми порами. Наличие влаги в порах увеличивает теплопроводность в десятки раз.

Коэффициент теплопроводности λ (Вт/мС): воздуха 0,023, древесины вдоль волокон 0,35 и поперек волокон 0,175, воды 0,59, керамического кирпича 0,82, льда 2,3. То есть воздушные поры в материале резко снижаются его теплопроводность, а увлажнение сильно увеличивает, так как коэффициент теплопроводности воды в 25 раз выше, чем у воздуха. При замерзании воды в порах теплопроводность материала увеличивается еще больше, так как лед примерно в 4 раза теплопроводнее воды и в сто раз теплопроводнее воздуха. Результат лучше всего заметен на примере неграмотно утеплённой мансарды. Можно увидеть, что сырая теплоизоляция в морозную погоду практически перестаёт работать.

Теплозащитные свойства конкретной конструкции определяются коэффициентом сопротивления теплопередаче, который связывает коэффициент теплопроводности с толщиной (B) стены, перекрытия или слоя теплоизоляции: R = B / λ. Из формулы видно, что чем больше теплопроводность, тем меньше коэффициент сопротивления теплопередаче и, следовательно, хуже теплозащитные свойства ограждающей конструкции.

Удельная теплоёмкость материалов

Равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1С. У органических материалов она обычно выше, чем у неорганических (кДж/(кг°С). Для древесины 2,38-2,72, для стали 0,46, для воды 4,187. Видно, что наибольшую теплоёмкость имеет вода, поэтому их теплоёмкость и возрастает с повышением влажности материалов. Кстати, высокая теплоёмкость воды делает её идеальным теплоносителем для системы отопления.

Тепловое расширение

Свойство материалов расширятся при нагревании и сжиматься при охлаждении, что приводит к изменениям линейных размеров и объема. Характеризуется коэффициентом линейного расширения, показывающим, насколько расширяется материал при повышении температуры на 1С.

В конструкциях, объединяющих несколько материалов, коэффициент теплового линейного расширения необходимо всегда учитывать. У стали (11-11,9) и бетона (10-14) он почти одинаков, поэтому эти материалы так хорошо сочетаются в железобетонных конструкциях. Если же коэффициенты линейного расширения отдельных компонентов значительно различаются, в таких конструкциях возникают напряжения, которые могут привести не только к появлению микротрещин и короблению, но и к полному их разрушению.

Аккумулирование тепла

Свойство материала при нагревании поглощать, а при охлаждении отдавать определённое количество теплоты называют теплоаккумулирующей способностью. Зависит она от удельной теплоемкости строительного материала, его средней плотности и толщины стеновой конструкции. Физический смысл теплоаккумулирующей способности (Qs) материала в возможности накопить и удержать в квадратном метре стены заданной толщины некоторое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем может определенное время (время остывания ta) расходоваться на поддержание комфортного микроклимата в помещении.

Для более понятного восприятия можно провести аналогию с радиаторами отопления. Чугунные радиаторы благодаря тепловой инерции, то есть большей способности чугуна аккумулировать тепло, при отключении подачи теплоносителя остаются горячими более длительное время, расходуя накопленную энергию на прогрев помещения, чем стальные или алюминиевые.

Время остывания стен зависит от теплоаккумулирующей способности материала и сопротивления теплопередаче ta = Qs R, и чем Qs и R больше, тем более длительный промежуток времени в помещениях дома будет сохраняться приемлемые для жизнедеятельности условия. Полная формула расчёта времени остывания будет выглядеть так: ta = С γ В2 / λ. Где С — удельная теплоёмкость, γ — средняя плотность, λ — коэффициент теплопроводности, B – толщина стены

Виды и нюансы кирпичных блоков

Для того чтобы в итоге возвести достаточно теплое кирпичное здание, изначально нужно понимать, какой именно вид данного материала подойдет для этого в наибольшей степени. В настоящее время на рынках и в строительных магазинах представлен огромный ассортимент кирпича. Так какому же отдать предпочтение?

На территории нашей страны огромной популярностью у покупателей пользуется силикатный кирпич. Этот материал получают в процессе смешивания извести с песком.

Таблица теплопроводности материалов.

Востребованность силикатного кирпича связана с тем, что он достаточно часто применяется в быту и имеет достаточно приемлемую цену. Если же коснуться вопроса физических величин, то тут данный материал, конечно, во многом уступает своим собратьям. В связи с низким показателем теплопроводности выстроить по-настоящему теплый дом из силикатного кирпича вряд ли получится.

Но, конечно же, как и у любого материала, у силикатного кирпича есть свои плюсы. К примеру, он обладает высоким показателем звукоизоляции. Именно по этой причине его очень часто используют для возведения перегородок и стен в городских квартирах.

Второе почетное место в рейтинге востребованности занимает керамический кирпич. Его получают из размешивания различных видов глин, которые в последующем обжигают. Данный материал применяют для непосредственного возведения зданий и их облицовки. Строительный тип используется для постройки зданий, а облицовочный – для их отделки. Стоит сказать и про то, что кирпич на основе керамики совсем небольшой по весу, поэтому он является идеальным материалом для самостоятельного осуществления строительных работ.

Новинкой строительного рынка является теплый кирпич. Это не что иное, как усовершенствованный блок из керамики. Данный тип по своим размерам может превышать стандарт примерно в четырнадцать раз. Но это никоим образом не влияет на общую массу постройки.

Если сравнивать данный материал с керамическим кирпичом, то первый вариант в вопросе теплоизоляции в два раза лучше. У теплого блока имеется большое количество мелких пустот, которые выглядят как каналы, расположенные в вертикальной плоскости.

А как известно, чем больше воздушного пространства присутствует в материале, тем выше показатель теплопроводности. Потеря тепла в данной ситуации происходит в большинстве случаев на перегородках внутри или в швах кладки.

Сравнительная характеристика теплоемкости основных строительных материалов

Для того, чтобы сравнить теплоемкость наиболее популярных строительных материалов, таких дерево, кирпич и бетон, необходимо рассчитать величину теплоемкости для каждого из них.

В первую очередь нужно определиться с удельной массой дерева, кирпича и бетона. Известно, что 1 м3 дерева весит 500 кг, кирпича – 1700 кг, а бетона – 2300 кг. Если мы берем стенку, толщина которой составляет 35 см, то путем нехитрых расчетов получим, что удельная масса 1 кв.м дерева составит 175 кг, кирпича – 595 кг, а бетона – 805 кг.
Далее выберем значение температуры, при которой будет происходить накопление тепловой энергии в стенах. Например, это будет происходить в жаркий летний день с температурой воздуха 270С. Для выбранных условий рассчитываем теплоемкость выбранных материалов:

Из произведенных расчетов видно, что при одинаковой толщине стены наибольшим показателем теплоемкости обладает бетон, а наименьшим – дерево. О чем это говорит? Это говорит о том, что в жаркий летний день максимальное количество тепла будет накапливаться в доме, выполненном из бетона, а наименьшее – из дерева.

Этим объясняет тот факт, что в деревянном доме в жаркую погоду прохладно, а в холодную погоду тепло. Кирпич и бетон легко накапливают в себе достаточно большое количество тепла из окружающей среды, но так же легко и расстаются с ним.

Свойства и описание материала

Бетон неспроста настолько популярен как в частном строительстве, так и в масштабном. Все дело в сочетании в нем практически всех фундаментальных свойств материала, так необходимых для качественной постройки.

К основным физико-техническим характеристикам этого стройматериала относятся:

Высокая плотность. При наличии требования к повышенной прочности строения бетонный раствор можно усиливать при помощи использования цемента разных марок плотности, а также различных наполнителей — крупного щебня, магнетитовых и лимонитовых пород. Кроме того, крепость изделия можно легко повысить в несколько раз, армировав бетон металлическими прутьями в виде сетки. Чем чаще будет шаг сеточной ячейки, тем прочнее станет конструкция.

Это лишь основные свойства бетонной смеси, которые позволяют ей удерживать лидерство на рынке строительных материалов.

Теплопроводность строительных материалов — Таблица 4

Это заключительная, но не последняя, таблица из серии данных по теплопроводности. В этой таблице иллюстрируется теплопроводность строительных материалов для городского строительства — собраны показатели для металла, который широко применяется в строительстве (сталь), для стекла, для чугуна (если у вас есть котел или печь), для фанеры и для других материалов.

Посмотрим на Таблицу 4, в которой указана теплопроводность строительных материалов (некоторые показатели для одних и тех же материалов с различной плотностью):

Можно ли использовать песок в качестве утеплителя? Судя по показателям для сухого песка – да. Если обеспечить защиту песка от влаги, то его можно использовать в тех местах, где требуется одна из его характеристик – негорючесть. Песок используют в качестве теплоизолятора и рассеивающего тепло элемента в так называемых «песчаных ящиках» при проходке дымоходом сквозь перекрытия из сгораемых материалов. Песок в сухом виде принимает избыточное тепло от дымохода (иногда температура может быть до 800-1000 градусов С при горении сажи в дымоходе) и рассеивает его, не давая воспламениться конструкциям перекрытия. Сухой песок может быть использован как в потолочных перекрытиях первого этажа, так и в чердачных перекрытиях.

Если песок намокает, то теплопроводность его резко повышается, и он теряет свои теплоизолирующие свойства.

Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов

В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.

Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда.

По данным таблицы видно, что высокую теплопроводность (при комнатной температуре) имеют магниевые сплавы и никель. Низкая же теплопроводность свойственна нихрому, инвару и сплаву Вуда.

Для сплавов можно пользоваться соотношением λ = LσT+ С, причем L и С имеют следующие значения: