Тепло в строительстве

 

 

Молекулы любого вещества находятся в постоянном движении. В телах с более высокой температурой они движутся быстрее, в телах с более низкой температурой — медленнее.

Таким образом, тепло является не чем иным, как энергией движения молекул. Повысить температуру тела — это значит увеличить энергию движения молекул.

 

Температура и измерение температуры

 

Температура и тепло часто считают одним и тем же. Однако они имеют разный смысл. Тогда как температура дает представление о тепловом состоянии тела, под теплотой понимают содержащееся в теле количество тепла. Единицами температуры являются кельвин (К) и градус Цельсия (°С). 0 °С соответствует точке замерзания воды (точка таяния). 100 °С соответствует точке кипения воды при нормальном давлении воздуха (точка испарения).

Самая низкая температура составляет примерно —273 °С; ее называют абсолютным нулем. При этой температуре все вещества, в том числе и газы, находятся в твердом состоянии, так как при такой температуре прекращается всякое движение молекул.

При использовании единиц Кельвин ведут отсчет от абсолютного нуля, 273 К соответствует точке таяния, 373 К соответствует точке кипения воды (рис. «Шкала температур»).

Приборы, измеряющие температуру, называют термометрами. Различают жидкостные и металлические термометры, а также электрические термометры и пироскопы или конусы Зегера.

 

Количество тепла

 

Чтобы установить, какой из двух источников поставляет большее количество тепла, с их помощью нагревают одинаковое количество воды. Той воде, которая за одно и то же время достигла более высокой температуры, было отдано большее количество тепла или тепловой энергии (рис. «Разница между температурой и количеством тепла»). Наоборот, в 10 л воды содержится в 10 раз больше тепловой энергии, чем в 1 л воды, при одинаковой температуре. Рис. «Шкала температур» в Единицей тепловой энергии является джоуль (Дж). К и °С

Джеймс Джоуль в 1843 г. доказал, что каждому количеству тепловой энергии соответствует определенная механическая работа. Поэтому работа, энергия и количество тепла рассматриваются как величины одного вида. Единицами служат джоуль (Дж), ньютон • метр (Н•м) и ватт • секунда (Вт•с).

 

1 Дж  = 1 Н•м = 1 Вт•с

1000 Дж = 1 кДж = 1 кН•м =1 кВт•с

1 кВт•ч = 3600 кВт•с = 3600 кН•м = 3600 кДж

 

Удельная теплоемкость

 

Различные материалы одинаковой массы требуют для своего нагревания различное количество тепла. Покрытия из алюминия, например, при одинаковом подводе тепла от солнечного излучения будут иметь более высокую температуру, чем дерево или штукатурка. Необходимое для определенного повышения температуры количество тепла зависит не только от массы, но также и от вида материала. Удельная теплоемкость — это то количество тепла, которое необходимо, чтобы повысить температуру 1 кг вещества на 1 К (=1 °С). Пример: Удельная теплоемкость бетона равна 1000 Дж/кг•К (табл. «Средняя удельная теплоемкость различных материалов»). Это значит, что для нагревания массы бетона в 1 кг на 1 К требуется 1000 Дж.

Для нагревания древесины требуется примерно в 2 раза большее количество тепла, чем для такой же массы газобетона, т.е. при подводе одинакового количества тепла газобетон нагревается до температуры, чем дерево. Это отражается, например, на различном температурном удлинении конструкций из этих материалов.

 

Теплонакопительная способность

 

Строительная конструкция принимает при нагревании определенное количество тепла, которое накапливается в конструкции. Теплонакопительная способность Q строительной конструкции, например стены, зависит от плотности ρ (произносится «ро»), от удельной теплоемкости материала с, а также от толщины d конструкции.

Достаточная теплоаккумулирующая способность стен и перекрытий важна для обеспечения комфортности в помещениях.

Теплонакопительная способность конструкции Q = плотности ρ х на удельную теплоемкость с х на толщину конструкции d:

Q=ρ•c•d,

где:

Q — в Дж/м^2•К;

ρ — в кг/м³;

с — в Дж/кг•К;

d — в м.

 

Действия тепла

 

Температурное расширение

 

При нагревании тела расширяются во всех направлениях.

 

Изменение объема твердых тел

 

Все строительные конструкции расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, т.е. они изменяют при изменении температуры свой объем. В строительных конструкциях особенно важно учитывать изменение длины.

ИЗМЕНЕНИЕ ДЛИНЫ Δ (произносится «дельта») зависит от длины l конструкции, разности температур θ (произносится «тета»), как прирост температуры или ее уменьшение, а также от коэффициента линейного расширения материала, из которого состоит строительная конструкция (рис. «Изменение длины при изменении температуры»).

Коэффициент линейного расширения α показывает, на сколько миллиметров увеличивается или укорачивается тело длиной 1 м при разнице температур в 1 К. Единица измерения: мм/(м•К) (табл. «Коэффициенты температурного расширения строительных материалов»).

Изменение длины Δl = коэффициенту температурного расширения α х исходную длину l₁ х разницу температур Δθ:

l₂—l₁ = Δl = α•l₁•Δθ,

где:

Δl— в мм;

l₂—l₁ — в м;

Δθ— в К;

α — в мм/(м•К).

 

Например, синтетический материал полиэтилен расширяется в 17 раз больше, а алюминий — в 2 раза больше, чем сталь. Только потому, что бетон имеет такое же температурное расширение, как сталь, строительство из такого материала, как железобетон, стало вообще возможным. Если в строительстве используются вместе материалы с различным температурным расширением, как, например, устройство покрытия из кровельной жести на стеновой кладке, то необходимо следить за тем, чтобы материалы могли свободно перемещаться относительно друг друга. В протяженных строительных конструкциях должны предусматриваться деформационные швы.

 

Изменение объема жидких тел

 

Жидкие тела расширяются при нагревании значительно больше, чем твердые тела. Ацетон имеет очень большое, а вода и ртуть имеют наименьшее из жидкостей температурное расширение. В правиле о том, что каждое тело при охлаждении сжимается, вода имеет исключение (аномалия воды). Ее объем при охлаждении до +4 “С уменьшается, однако при дальнейшем охлаждении от +4 до 0 °С он снова увеличивается. Поэтому вода при +4 °С имеет наибольшую плотность. Это также является причиной, почему лед плавает в воде, а замерзшие водопроводные трубы лопаются.

 

Изменение объема газообразных тел

 

Газы при нагревании расширяются значительно больше, чем жидкости. Их расширение при повышении температуры на каждый градус Цельсия составляет 1/273 их объема при О °С. Если, например, воздух нагревать в каком-либо объеме, то он расширяется. Его плотность по отношению к не нагретому воздуху становится все меньше, поэтому нагретый воздух поднимается кверху.

Газ, находящийся в замкнутом сосуде, например в бутылке, не может расширяться при нагревании. Давление газа растет, что может привести к разрыву сосуда.

 

Плавление и испарение

 

Материалы встречаются в трех формах своего состояния — твердом, жидком и газообразном, которые называют агрегатными состояниями. Переход из одного состояния в другое происходит при определенных температурах (рис. «Различные агрегатные состояния»).

 

 

Твердые вещества становятся жидкими, когда приход тепла заставляет молекулы двигаться так сильно, что они внутри смеси начинают в определенных местах терять связи между собой. Температура, при которой это происходит, называется точкой плавления или температурой плавления (табл. «Температуры плавления материалов»).

Чтобы перевести 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое, необходимо определенное количество тепла, которое называется теплом плавления. У воды оно составляет 335 кДж/кг.

При возрастающем нагревании жидкости движение молекул настолько возрастает, что их взаимные силы когезии полностью преодоляются, и жидкость превращается в газ. Этот процесс называют испарением (рис. «Кипение»). При этой температуре достигается точка кипения или температура кипения жидкости (табл. «Температуры кипения при давлении 1013 мбар»). Количество тепла, необходимое для перевода 1 кг жидкости из жидкого состояния в газообразное, называется теплотой испарения. Оно составляет для воды 2250 кДж/кг.

 

 

Конденсация и твердение

 

Если у газообразного тела, например у водяного пара, отбирать тепло, то при определенной температуре оно уплотняется до жидкого состояния, например, вода. Эту температуру называют ТОЧКОЙ КОНДЕНСАЦИИ, а необходимое для этого количество тепла — КОНДЕНСАЦИОННЫМ ТЕПЛОМ. Конденсационное тепло равно теплоте испарения. В строительстве необходимо в основном учитывать конденсацию водяного пара на внутренней стороне наружных стен или внутри этих конструкций. Влажность в конструкциях ведет к строительным повреждениям и уменьшает теплоизоляцию.

Когда жидкость охлаждается, она затвердевает. Имеющая при этом место температура называется точкой затвердевания (см. рис. «Различные агрегатные состояния»). В случае воды она называется точкой замерзания или таяния.

Точки плавления и затвердевания совпадают. Освобождающееся при затвердевании количество тепла равно теплоте плавления.

Тогда как затвердевшие тела уменьшаются в объеме, вода при замерзании расширяется. Пористые материалы, поры которых заполнены водой, при морозе могут разрушаться за счет разрывающего действия льда.

 

Испарение

 

Жидкость может превращаться в газ и ниже точки кипения. Правда, испарение происходит только у ее поверхности. Этот процесс называют образованием тумана (рис. «Испарение»). Образование тумана происходит тем быстрее, чем суше и подвижнее окружающий воздух и чем ближе температура

жидкости к точке кипения. Поэтому при комнатной температуре жидкость испаряется тем быстрее, чем ниже ее точка кипения, например у спирта, нитроразбавителей и бензина.

При испарении молекулы вещества вырываются с поверхности жидкости и воспринимаются воздухом (см. рис. «Испарение»). Требуемую для этого энергию движения они забирают у жидкости в форме тепловой энергии. Связанное с этим понижение температуры называют ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ. Процесс испарения можно ускорить путем увеличения площади испарения, например путем разрезания древесины для ее сушки.

 

Источники тепла

 

Важнейшим источником тепла для земли является Солнце. Оно передает тепло за счет излучения; при перпендикулярном падении солнечных лучей оно поставляет энергию, равную 80 кДж/(м²*мин). Другими источниками тепла являются находящиеся в земле твердые, жидкие и газообразные горючие вещества. Они, как правило, растительного или животного происхождения и при сжигании образуют тепло.

Высвобождающееся при сжигании 1 кг топлива количество тепла называют теплотворной способностью топлива. Теплотворная способность различных видов топлива различна (табл. «Теплотворная способность материалов»).

Все большее значение приобретает получение тепла за счет ветровой и солнечной энергии. Тепловая энергия может быть получена также и путем превращения энергии из одной формы в другую, например из электрической энергии.

 

Передача тепла

 

Каждое тело, которое теплее, чем его окружение, для этого окружения является источником тепла. Передача тепла может осуществляться путем радиации (излучения), конвекции или теплопроводности.

 

Тепловая радиация

 

Тепловые лучи ведут себя аналогично световым лучам. Они передают тепловую энергию как излучение также и через безвоздушное пространство и отдают ее в виде тепла только при попадании на какое-либо тело (рис. «Теплопередача за счет радиации»). При этом энергия излучения переходит в тепловое движение молекул. Способность тепловосприятия при тепловом излучении зависит в основном от характера наружной поверхности различных тел. Тела с темной и шероховатой поверхностью воспринимают большую часть теплового излучения и нагреваются поэтому сильнее, чем светлые и гладкие тела, которые большую часть энергии отражают. В качестве примеров можно назвать нагревание темной крыши автомобиля или дома, а также нагревание темной одежды солнечными лучами. Наоборот, темные тела, например, радиатор, излучают больше тепла, чем светлые. В технике тепловое излучение применяется, например, для отопления помещений.

 

Конвекция

 

В противоположность тепловому излучению конвекция возможна только в жидкостях и газах. Если эти газы, например воздух, или жидкости, например вода, нагреваются в отопительной системе, они расширяются. За счет своей уменьшающейся при нагревании плотности они становятся легче и поднимаются кверху, тогда как более холодные и поэтому более тяжелые массы воды или воздуха поступают на их место. Образуется поток газа или жидкости, который уносит тепло от источника и отдает его менее теплым материалам, таким, как кладка стен, бетон, воздух и т.д.

Примерами является круговорот воздуха вокруг отопительного прибора или водяное отопление горячей водой за счет силы тяжести (рис. «Передача тепла за счет конвекции»).

Конвекция имеет место также у поверхностей строительных конструкций или в воздушных слоях между поверхностями различной температуры.

 

Теплопроводность

 

При теплопроводности выравнивание температур происходит при передаче тепла в одном материале от молекулы к молекуле, без изменения местоположения молекул. Тепло передается за счет энергии колебания лежащих ближе к источнику тепла и поэтому более сильно колеблющихся молекул к соседним слабее колеблющимся молекулам с помощью ударных процессов (рис. «Передача тепла за счет теплопроводности»).

Хорошо проводят тепло твердые материалы с большой плотностью, особенно металлы. Плохо проводят тепло дерево, синтетические материалы, пористые строительные материалы. Жидкости и особенно газы тоже плохо проводят тепло, если конвекция затруднена. Материалы, плохо проводящие тепло, в строительстве называются теплоизоляционными материалами. Они применяются для уменьшения потерь энергии. Теплопроводность измеряется в Вт/(м•К).

Теплопроводность снижается тем сильнее,

• Чем меньше плотность,
• Чем более пористым является материал,
• Чем меньше поры,
• Чем меньше его влагосодержание.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЕ ПОЧИТАТЬ: