Вопрос о теплоизоляции некоторых материалов

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Вопрос о теплоизоляции некоторых материалов

Мурзинова А.А. 1
1МАОУ СМТЛ
Филимонов А.С. 1
1МАОУ СМТЛ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на разработку новых строительных материалов, по-прежнему остро стоит проблема отопления жилых помещений, что обусловливает актуальность темы проекта. Некоторые строительные компании берут для основной части дома некачественные материалы, чтобы сэкономить. На плохой теплопроводности домов выигрывают и отопительные компании, так как требуется много тепла для обогрева помещения, если сама конструкция отдает большое количество тепла в окружающую среду. А при полном отключении отопления дом начинает разрушаться из-за отсыревания стен, есть опасность обвала несущих конструкций.

К сожалению, в большинстве случаев менее теплопроводные материалы проигрывают в стоимости и актуальности. Например, самый малый коэффициент теплопроводности у теплокерамики — всего 0,11 Вт/(м•К)1. Но подобное изделие также отличается и большой хрупкостью, что максимально минимизирует область его применения.

Скорость передачи тепла материалов зависит от их теплопроводности. Теплопроводность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.) [12]. Теплопроводность можно определить с помощью коэффициента теплопроводности.

Не все строительные материалы одинаково теплоэффективны. На это влияют пористость материала, плотность материала, агрегатное состояние вещества и влажность [14].

Строительство совершенствовалось. Люди перешли от деревянных конструкций, которые из-за плохой теплопроводности, к более совершенным материалам, таким, как кирпич. Конечно, кирпич — не самый «тёплый» стеновой материал. По теплоэффективности он отстаёт от дерева и нуждается в утеплении [13]. Поэтому рабочая гипотеза гласит: если дом строить из теплоизоляционных материалов, можно значительно сэкономить на отоплении.

Автор в работе с помощью эксперимента выявляет наименее теплопроводные материалы.

В ходе эксперимента будут сравнены различные материалы по характеристикам, которые будут указывать на их теплопроводность [15].

Целью проекта является выявление наименее теплопроводных материалов для строительства.

Для достижения цели следует выполнить следующие задачи:

1. Изучить, что влияет на теплопроводность материалов

2. Проанализировать способы сохранения тепла

3. Найти информацию о современных тенденциях в строительстве

4. Провести опыт по исследованию теплопроводности

5. Выявить наиболее безопасные материалы

В ходе работы использованы такие методы, как наблюдение, измерение, сравнение и эксперимент. Для изучения проблемы используются учебное пособие по теплопроводности, справочник, таблицы теплопроводности материалов, различные интернет-ресурсы.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

§1. ИСТОРИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Первыми жилищами человека являлись пещеры. Пещера (Рис. 1) — полость в верхней части земной коры, сообщающаяся с поверхностью одним или несколькими входными отверстиями, а также пещера — это естественная подземная полость, доступная для проникновения человека, имеющая неосвещенные солнечным светом части и длину (глубину) больше, чем два других измерения [8]. Понятно, что не о какой теплопроводности и речи не шло, т. к. еще не был придуман огонь. Но камень, из которого состояли пещеры, несомненно является не теплоизоляционным материалом.

Рис. 1. Пещера Cueva Santa Cabriel

Затем стали появляться землянки и шалаши. Землянка (Приложение 1) — это углубленное в землю жилище, прямоугольное или округлое в плане, с перекрытием из жердей или бревен, засыпанных землей [4]. Земля плохо проводит тепло. Шалаш (Приложение 2) — простейшее легкое укрытие, представляет собой сооружение, изготовленное по технологиям плетения жердей и палок, покрытых ветками, дерном или травой, защищающее от ветра, зноя, холода и осадков [16]. Здесь конструкция не плотная и поэтому тепло практически невозможно сохранить внутри. Также довольно распространенные жилища в затопленных районах — сваи. Свайные жилища (Рис. 2) — дома, возведённые на сваях над поверхностью земли или над водой [10].

Рис. 1. Пещера Cueva Santa Cabriel

Рис. 2. Свайное жилище

После перехода от кочевого к оседлому образу жизни, а также с понижением температур в сухих и безлесных районах строились глинобитные, кирпичные и саманные здания. Глинобитные строения
(Рис. 3) — архитектурные сооружения, стены которых возводятся из глины (или из земли, но, в отличие от землебитных строений, обязательно содержащей значительную примесь глины), частицы которой плотно соединяются между собой посредством запрессовки. Иногда глина смешивается с соломой или вереском. Для возведения глинобитных строений необходимы формы, или ящики, состоящие из двух дощатых щитов, соединённых параллельно брусками. Глинобитные стены по большей части возводятся на обыкновенном каменном фундаменте с цоколем, для защиты их от влияния грунтовой сырости. На фундамент ставятся щиты, и в образовавшийся таким образом промежуток насыпают глинистую массу на полметра и уколачивают трамбовками [1].

Рис. 3. Глинобитный дом

Кирпичные строения — строения, при строительстве которых используется кирпич (кирпич — искусственный камень правильной формы, используемый в качестве строительного материала, произведенный из минеральных материалов и обладающий свойствами камня [7]. В Древнем Египте такими строениями являлись пирамиды (Рис. 4), а в Древней Греции здания складывались из необожжённого кирпича, перекрытия выполнялись деревянными, крыша делалась из черепицы или земляная.

Рис. 4. Египетские пирамиды

Саманные дома (саманы, лемпачи, кальши, сушняки, адобы) (Приложение 3) — кирпич-сырец из глинистого грунта с добавлением соломы или других волокнистых растительных материалов. Используется для возведения стен и заборов в сухом климате. Во влажном состоянии саман мягкий и легко укладывается в опалубку или в навал в виде глиняных лепёшек, валиков. Часто используется в виде параллелепипедов стандартных размеров, высушенных заранее [9].

Также начинается постройка срубных деревянных домов. Срубные дома (срубы) (Приложение 4) — деревянные сооружения, стены которых собраны из обработанных (рубленых) брёвен [11]. Срубы хорошо держат тепло, так как представляют собой плотную конструкцию с небольшой вентиляцией.

Появляются и первые каменные дома. Например, в постройке замков (Приложение 5) использовали камень (Камень — твёрдая неметаллическая горная порода, или её кусок [6]). Но камень в чистом виде редко использовался как строительный материал. Самые распространённые виды минералов и горных пород в виде строительных и отделочных камней – это гранит, известняк, мрамор, песчаник, кварцит, кварцито-песчаник, сланец, порфир, доломит, оникс.

§2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур [12; 14]. Таким образом, теплопроводность материалов будет зависеть от:

1. Пористой структуры материала. Подразумевается, что подобное строение неоднородно, а поры наполнены воздухом. Тепловые массы, перемещаясь через такие прослойки, теряют минимум своей энергии.

2. Плотности материала, которая гарантирует более тесную взаимосвязь частиц друг с другом. Также, уравновешивание температурного баланса происходит намного быстрее. По этой причине плотный материал обладает большим коэффициентом проводимости тепла.

3. Влажности – злокачественного фактора, повышающего скорость прохождения тепла. Поэтому так важно качественно произвести гидроизоляцию необходимых узлов здания, грамотно организовать вентиляцию и использовать максимально инертные к намоканию строительные материалы.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K) [12].

И сторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Например, Ломоносов в своей работе по физике, посвященной теории теплоты, пишет о природе теплоты, которая объясняется движением частиц, из которых состоит само тело. Он был резким противником теории о теплороде. По этой теории существует
некая невесомая и невещественная материя, теплород. П

Рис. 5. Механизм взаимодействия молекул воздуха по Ломоносову

ростое присутствие теплорода в теле приводит к его нагреванию.

Приверженцев такой теории было гораздо больше. Ломоносов, доказывая правоту кинетической теории теплоты, говорит, что, с одной стороны, теплота возбуждается видимым движением, которое при этом пропадает, а с другой стороны, при нагревании появляется движение тел. Также, тепловое движение, по его мнению, является вращательным и частица представляет собой шероховатые шарики, подобные зубчатым колесам и способные, сцепляясь друг с другом, передавать движение одной частицы к другой (Рис. 5). В твердом же теле шероховатые частицы соприкасаются друг с другом и непосредственно передают вращательное движение друг другу и таким образом происходит теплопередача, не рассыпается оно на частицы из-за оказания давления существующей повсюду и неощутимой материя — эфира, которая, состоит из еще более мелких частичек. Такое утверждение связано с моделью твердого тела. Ломоносов не признавал молекулярных сил, подобных силам тяготения. Поэтому твердые тела не рассыпаются на части, будучи подвержены со всех сторон давлению частиц эфира. Поэтому при тепловом движении частицы твердого тела должны совершать вращательные движения, ибо при этом тело сохраняет свою форму и размеры.

Так Ломоносов неправильно принял за тепловое движение только вращательное движение частиц. Но такую же ошибку при построении кинетической теории теплоты допустил уже гораздо позже Джоуль, который на первых порах считал тепловым движением вращательное движение частиц тела и инженер Ранкин [5].

В 1807 году французский ученый Фурье доказал экспериментально, что во всякой точке тела (вещества) в процессе теплопроводности присуща однозначная взаимосвязь между тепловым потоком и градиентом температуры. Но этот закон не принимает в расчет инерционность процесса теплопроводности, иначе говоря, в представленной модели колебание температуры в любой точке мгновенно распространяется на всё тело [3]

Современное учение о теплопроводности гласит, что теплопроводность представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества.

ГЛАВА 2. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПРОВЕРКЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

§1. ПОДГОТОВКА К ЭКСПЕРИМЕНТУ

В ходе эксперимента используются такие материалы, как пенопласт, вата и древесные опилки. Характеристики этих материалов различны (Таблица 1). Также нужно проверить, как держит тепло коробка из картона без наполнителя. Для того чтобы выбрать наименее теплопроводный материал для строительства, из опытов рассчитано сколько тепла понадобится для нагревания тела и какое количество тепла выделится при охлаждении тела, а также коэффициент теплопроводности по результатам эксперимента. Все эксперименты проводятся в домашних условиях при помощи холодильной и морозильной камер для того, чтобы проверить, насколько материал практичен в реальной постройке [2]. Для измерения показателей температуры взят цилиндрический термометр (Рис. 6).

Таблица 1

Характеристика строительных материалов

Материал

Плотность

кг/м3

Коэффициент

тепловодности Вт/(м*С)

Паропроницаемость, мг/ (м*ч*Па)

Без наполнителя2 (воздух и картон)

Воздух:

При +24оС – 1,184

При -7оС – 1,341

При +12оС – 1,2466

Картон: 1000

Воздух:

При +24оС – 2,553

При -7оС – 2,348
При +12оС – 2,485

Картон: 0,18

Воздух: 0,625

Картон: 0,06

Пенопласт ПВХ

125

0,052

0,23

Вата

100

0,059

0,5

Древесные опилки

240

0,06

0,21

§2. ХОД РАБОТЫ

Д ля проведения экспериментов построен макет дома из картона (плотность 1000 кг/м3). Размер внешней части дома 245*165*95 (в мм). Размер внутренней части 175*105*35 мм. Толщина прослойки материалов 30 мм.

Алгоритм выполнения эксперимента:

Рис. 6. Термометр

Положить термометр внутрь коробки. Плотно закрыть крышкой и поместить конструкцию на 20 мин в холодильную камеру, где температура достигает +13оС.

По истечении 20 мин вытащить макет, открыть крышку и посмотреть установившуюся температуру.

После просмотра температуры оставить конструкцию и термометр до нагревания (комнатная температура – +24оС).

П осле нагревания нужных предметов опять поместить внутрь термометр, закрыть макет крышкой и положить в морозильную камеру на 20 мин, где температура достигает -11оС

Спустя 20 мин взять коробку из морозильной камеры и измерить температуру.

Рис. 7. Внешний вид коробки без наполнителя

Составить и вычислить формулы.

Записать результаты в таблицу.

Эксперимент №1. Конструкция без наполнителя

Помещаем термометр внутрь коробки (Рис.7). Закрыть крышкой и положить в холодильную камеру. Через 20 мин температура в коробке оказалась +12оС (Приложение 6), а в морозильной камере -7оС (Приложение 7). Потеря тепла3: 43оС.

Э ксперимент №2. Пенопласт в качестве наполнителя

Рис. 8. Внешний вид коробки с пенопластом в качестве наполнителя

Аналогично поместить измерительный прибор в конструкцию (Рис. 8). Повторяем все те же действия и получаем следующие показатели: в холодильной камере температура остановилась на отметке в +16оС (Приложение 8), а в морозильной: +2оС (Приложение 9). Пенопласт по сравнению с пустой коробкой сохраняет тепло лучше, но тоже не слишком хорошо, т.к. пенопласт – плотный материал и теряет 30оС тепла.

Эксперимент №3. Вата в качестве наполнителя

В ыполняем алгоритм (Рис.9). После холодильной камеры термометр показал +17оС (Приложение 10), а после морозильной: +11оС (Приложение 11). Вата показала себя как более теплоизоляционный материал по сравнению с пенопластом из-за того, что вата – рыхлый материал. Именно из-за имеющейся прослойки воздуха вата лучше сохраняет тепло и больше подходит на роль теплоизоляции. Потеря тепла: 20оС.

Эксперимент №4. Опилки в качестве наполнителя

Рис. 9. Внешний вид коробки с ватой в качестве наполнителя

Наполняем макет опилками и, выполняя все предыдущие действия, отправляем в холодильную камеру. Результат: +19оС (Приложение 12). Затем кладем коробку в морозильную камеру. Результат: +14оС (Приложение 13). Опилки показали наилучшую теплопроводность, так как в этом материале присутствует самая большая прослойка воздуха. Потеря тепла: 15оС (Рис. 10).

§

Рис. 10. Внешний вид коробки с опилками в качестве наполнителя

3. РАСЧЕТ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ФОРМУЛАМ

Расчет количества теплоты, выделяемой телом при охлаждении, или необходимой для нагрева тела:

Q = c*m*(tкtн).

Обозначения:

Q — количество теплоты, Дж;

c — удельная теплоемкость вещества, Дж/(кг*оС);

m — масса тела, кг;

tк — конечная температура, оС;

tн — начальная температура, оС.

Эксп. №1. Q = 2300*0,2*(12 – 24) = -5520 (Дж)

Эксп. №2. Q = 1260*0,22*(16 – 24) = -2217,6 (Дж)

Эксп. №3. Q = 840*0,32*(17 – 24) = -1881,6 (Дж)

Эксп. №4. Q = 1700*0,4*(19 – 24) = -3400 (Дж)

Расчет коэффициента теплопроводности:

 = Q*/(t1 – t2)*S*t.

Обозначения:

 — коэффициент теплопроводности, Вт/м*оС;

Q — величина теплового потока, Вт;

 — толщина материала, м;

t1,t2 — температура поверхностей материала, оС;

S — площадь материала, м2;

t — длительность прохождения теплового потока, ч.

Эксп. №1.

Воздух:

При +24оС — 2,553 (Вт/(м*С));

При –7оС — 2,348 (Вт/(м*С));

При +12оС — 2,485 (Вт/(м*С));

Картон: 0,18 (Вт/(м*С)).

Эксп. №2. 0,052 (Вт/(м*С)).

Эксп. №3. 0,059 (Вт/(м*С)).

Эксп. №4. 0,06 (Вт/(м*С)).

ВЫВОД

Древесные опилки обладают наименьшей теплопроводностью по сравнению с другими материалами (Таблица 2, Диаграмма 1).

Таблица 2

Результаты эксперимента по проверке теплопроводности различных материалов

X№ Эксперимента

t материала после холодильной камеры4

оС

t материала после морозильной камеры5

оС

Потеря тепла

оС

Кол-во выделяемой при охлаждении теплоты, Дж

Коэффициент теплопроводности

Вт/(м*С)

1

+12

-7

43

-5520

Воздух:

При +24оС – 2,553

При -7оС – 2,348

При +12оС – 2,485

Картон: 0,18

2

+16

+2

30

-2217,6

0,052

3

+17

+11

20

-1881,6

0,059

4

+19

+14

15

-3400

0,06

Диаграмма 1

Сравнение температуры, получившейся при эксперименте, и температуры среды

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вопрос теплоизоляции много лет волновал человечество. Большое количество времени ушло на поиск достойных для этого дела материалов. Сейчас строительные компании продолжают поиски идеального утеплителя для домов. Но многие хорошие материалы проигрывают в эффективности. Поэтому необходимо найти утеплитель, который соответствовал в сегменте «цена – качество». Таких материалов мало. Люди пытались строить дома и из дерева, и из камня, и даже из глины.

В основу учения о теплоизоляции также легли труды знаменитых ученых и инженеров: Ломоносова, Райкина, Фурье. Выводилось много предположений по этому поводу, но окончательной стала теория Ломоносова.

С развитием технологий улучшалось и строительство, появлялись новые материалы. Ближе к 20-му веку начали использоваться такие утеплители, как пенопласт, стекловата и т.д. Это дало новую почву для исследования этих материалов как утеплителей.

Для данного исследования взяты такие утеплители, как пенопласт, вата и древесные опилки. В ходе эксперимента и расчетов, выяснилось, что опилки лучше всего держат тепло, и если утеплять дом опилками, можно сэкономить на отоплении, но данный материал имеет свои минусы.

Цель работы достигнуты. Работа будет интересна различным строительным компаниям.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

Глинобитные строения // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.2019).

Еремкин, А.И. Тепловой режим зданий: учебное пособие / А.И. Еремкин, Т.И. Королева. — М.: Издательство ACB, 2000 г. — 368 с.

Закон Фурье — основной закон теплопроводности // Calc.ru: сайт. — URL: https://www.calc.ru (дата обращения 22.12.2019).

Землянка // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.2019).

Исследования по теории теплоты и газов [Электронный ресурс]. — URL: http://vestishki.ru/content (дата обращения 22.12.2019).

Камень // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.2019).

Кирпич // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.2019).

Пещера // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.2019).

Саман // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.20

19).Свайное жилище // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.2019)

Срубы // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.2019).

Теплопроводность // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения: 08.12.2019).

Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость // Термаинфо: сайт. — URL: http://thermalinfo.ru (дата обращения 22.12.2019).

Физические величины. Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский [и др.]; под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

Франчук, А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов / А.У. Франчук. — М.: НИИ строительной физики, 1969. — 142 с.

Шалаш // Википедия: сайт. — URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения:13.12.2019).

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 Землянка

Приложение 2 Шалаш

Приложение 3 Саманный дом

Приложение 4 Срубовой дом

Приложение 5 Замок

Приложение 6 Температура после холодильной камеры в коробке без наполнителя

Приложение 7 Температура после морозильной камеры в коробке без наполнителя

Приложение 8 Температура после холодильной камеры в коробке с пенопластом

Приложение 9 Температура после морозильной камеры в коробке с пенопластом

Приложение 10 Температура после холодильной камеры в коробке с ватой

Приложение 11 Температура после морозильной камеры в коробке с ватой

Приложение 12 Температура после холодильной камеры в коробке с опилками

Приложение 13 Температура после морозильной камеры в коробке с опилками

1 Ватт/метр•Кельвин.

2 При нормальном атмосферном давлении 760 мм рт.ст.

3 Потеря тепла в холодильной камере + потеря тепла в морозильной (24 — 12 + 24 +7 = 43оС).

4 Температура в холодильной камере +10оС, комнатная температура +24оС.

5 Температура в морозильной камере —11оС, комнатная температура +24оС.

Просмотров работы: 26