Удельная теплоемкость красного кирпича. Плотность и удельная теплоемкость кирпича. Использование различных материалов в строительстве

В строительстве очень важной характеристикой является теплоемкость строительных материалов. От нее зависят теплоизоляционные характеристики стен постройки, а соответственно, и возможность комфортного пребывания внутри здания. Прежде, чем приступить к ознакомлению с теплоизоляционными характеристиками отдельных строительных материалов, необходимо понять, что собой представляет теплоемкость и как она определяется.

Удельная теплоемкость материалов

Теплоемкость – это физическая величина, описывающая способность того или иного материала накапливать в себе температуру от нагретой окружающей среды. Количественно удельная теплоемкость равна количеству энергии, измеряемой в Дж, необходимой для того, чтобы нагреть тело массой 1 кг на 1 градус.
Ниже представлена таблица удельной теплоемкости наиболее распространенных в строительстве материалов.

• вид и объем нагреваемого материала (V);
• показатель удельной теплоемкости этого материала (Суд);
• удельный вес (mуд);
• начальную и конечную температуры материала.

Теплоемкость строительных материалов

Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.

А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.

Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.

Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.
Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.

Поэтому нельзя доверять исключительно показателю относительной плотности материала, а стоит учитывать и другие его характеристики.

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:

1. Стена из дерева: С=СудхmудхΔТ; Сдер=2,3х175х27=10867,5 (кДж);
2. Стена из бетона: С=СудхmудхΔТ; Сбет=0,84х805х27= 18257,4 (кДж);
3. Стена из кирпича: С=СудхmудхΔТ; Скирп=0,88х595х27= 14137,2 (кДж).

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.

Теплоемкость и теплопроводность материалов

Теплопроводность – это физическая величина материалов, описывающая способность проникновения температуры с одной поверхности стены на другую.

Для создания комфортных условий в помещении необходимо, чтобы стены обладали высоким показателем теплоемкости и низким коэффициентом теплопроводности. В этом случае стены дома будут в состоянии накапливать тепловую энергию окружающей среды, но при этом препятствовать проникновению теплового излучения внутрь помещения.

Создание оптимального микроклимата и расход тепловой энергии на отопление частного дома в холодное время года во многом зависит от теплоизоляционных свойств строительных материалов, из которых возведена данная постройка. Одной из таких характеристик является теплоемкость. Это значение необходимо учитывать при выборе стройматериалов для конструирования частного дома. Поэтому далее будет рассмотрена теплоемкость некоторых строительных материалов.

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.

Вернуться к оглавлению

Использование теплоемкости на практике

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.

Таблица 1

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.

Вернуться к оглавлению

Теплоемкость строительных материалов

Какими же должны быть стены частного дома, чтобы соответствовать строительным нормам? Ответ на этот вопрос имеет несколько нюансов. Чтобы с ними разобраться, будет приведен пример теплоемкости 2-х наиболее популярных строительных материалов: бетона и дерева. имеет значение 0,84 кДж/(кг*°C), а дерева – 2,3 кДж/(кг*°C).

На первый взгляд можно решить, что дерево – более теплоемкий материал, нежели бетон. Это действительно так, ведь древесина содержит практически в 3 раза больше тепловой энергии, нежели бетон. Для нагрева 1 кг дерева нужно потратить 2,3 кДж тепловой энергии, но при остывании оно также отдаст в пространство 2,3 кДж. При этом 1 кг бетонной конструкции способен аккумулировать и, соответственно, отдать только 0,84 кДж.

Но не стоит спешить с выводами. Например, нужно узнать, какую теплоемкость будет иметь 1 м 2 бетонной и деревянной стены толщиной 30 см. Для этого сначала нужно посчитать вес таких конструкций. 1 м 2 данной бетонной стены будет весить: 2300 кг/м 3 *0,3 м 3 = 690 кг. 1 м 2 деревянной стены будет весить: 500 кг/м 3 *0,3 м 3 = 150 кг.

• для бетонной стены: 0,84*690*22 = 12751 кДж;
• для деревянной конструкции: 2,3*150*22 = 7590 кДж.

Из полученного результата можно сделать вывод, что 1 м 3 древесины будет практически в 2 раза меньше аккумулировать тепло, чем бетон. Промежуточным материалом по теплоемкости между бетоном и деревом является кирпичная кладка, в единице объема которой при тех же условиях будет содержаться 9199 кДж тепловой энергии. При этом газобетон, как строительный материал, будет содержать только 3326 кДж, что будет значительно меньше дерева. Однако на практике толщина деревянной конструкции может быть 15-20 см, когда газобетон можно уложить в несколько рядов, значительно увеличивая удельную теплоемкость стены.

Сфера применения материала определяется его эксплуатационными характеристиками. Комплекс рассматриваемых свойств должны соответствовать требованиям, предъявляемых строительному кирпичу при сооружении внешних стен, перекрытий, фундамента. Возведение конструкций подразумевает выбор изделий различного назначения:

• Силикатный – рядовой, лицевой, пустотелый, полнотелый.
• Керамический – жаростойкий и все разновидности предыдущего вида.
• Клинкерный – для облицовки фасадов.

Показатели определяют энергопотребление дома, затраты на обогрев помещений. Проектирование сооружений, расчеты ограждающих конструкций учитывают эти параметры.

Коэффициент теплопроводности

Материалы обладают свойством проводить тепло от нагретой поверхности в более холодную область. Процесс происходит в результате электромагнитного взаимодействия атомов, электронов и квазичастиц (фононы). Основной показатель величины – коэффициент теплопроводности (λ, Вт/), определяемый как количество теплоты, проходящее через единицу площади сечения за единичный интервал времени. Малое значение положительно влияет на сохранение теплового режима.

Согласно ГОСТ 530-2012 эффективность кладки в сухом состоянии характеризуется коэффициентом теплопроводности:

• ≤ 0.20 – высокая;
• 0.2 < λ ≤ 0.24 – повышенная;
• 0.24 — 0.36 – эффективная;
• 0.36 — 0.46 – условно-эффективная;
• ˃ 0.46 – обыкновенная (малоэффективная).

Чем больше плотность, тем выше теплопроводность – не совсем верное утверждение. Структура содержит закрытые поры и полости (пустотелый), наполненные воздухом с коэффициентом ≈ 0,026. Благодаря этому, изделия со щелевыми отверстиями лучше поддерживают тепловой режим внутри сооружений. В инженерных расчетах необходимо учитывать величину теплопроводности кладочной смеси, значение показателя выбирают от 0.47 и выше, в зависимости от состава.

Теплопроводность красного изделия ниже, чем у силикатного.

Физические процессы нагрева и удержания тепла можно охарактеризовать величинами:

• Коэффициент теплоотдачи – теплообмен на границе поверхности твердого тела и воздушной среды. Это мощность теплового потока, приходящаяся на плоскость 1 м², обратно пропорциональная разнице температур тела и теплоносителя (воздух). Чем выше теплопроводность, тем больше теплоотдача.
• Полное тепловое сопротивление – способность противостоять передаче тепла. Значение обратно пропорционально коэффициенту теплопередачи. Исходя из расчетной формулы R = L/λ, легко рассчитать оптимальную толщину кладки. λ – постоянный параметр, R – тепловое сопротивление указано в таблице 4 СП 131.13330.2012 для климатических зон России.

Теплоемкость

Необходимое количество тепла, подведенного к телу для увеличения температуры на 1 Кельвин – определение понятия «полная теплоемкость». Единица измерения: Дж/К или Дж/°C. Чем больше объем и масса тела (толщина стен и перекрытий), тем выше теплоемкость материала, лучше поддерживается благоприятный температурный режим. Наиболее точно это свойство подтверждают характеристики:

• Удельная теплоемкость кирпича – количество тепла, необходимое для нагрева единичной массы вещества за единичный интервал времени. Единица измерения: Дж/кг*К или Дж/кг*°C. Используется для инженерных расчетов.
• Объемная теплоемкость – количество тепла, потребляемое телом единичного объема для нагрева за единицу времени. Измеряется в Дж/м³*К или Дж/кг*°C.

Тепловая конвекция непрерывна: радиаторы нагревают воздух, который передает тепло стенам. При понижении температуры в помещениях происходит обратный процесс. Увеличение удельной теплоемкости, снижение коэффициента теплопроводности стен обеспечивают сокращение затрат на обогрев дома. Толщина кладки может быть оптимизирована рядом действий:

• Применение теплоизоляции.
• Нанесение штукатурки.
• Использование пустотного кирпича или камня (исключено для фундамента здания).
• Кладочный раствор с оптимальными теплотехническими параметрами.

Таблица с характеристиками различных видов кладок. Использованы данные СП 50.13330.2012:

Морозостойкость кирпичной кладки

Устойчивость к воздействию отрицательных температур – показатель, влияющий на прочность и долговечность конструкции. Кладка в процессе эксплуатации насыщается влагой. В зимний период вода, проникая в поры, превращается в лед, увеличивается в объеме и разрывает полость, в которой находится – происходит разрушение. Морозоустойчивость, как правило, низкая, водопоглощение не должно превышать 20 %.

Определение количества циклов замораживания и оттаивания без потери прочности каждого вида изделия позволяет выявить морозоустойчивость (F). Значение получают опытным путем. В лаборатории проводят многократную заморозку в холодильных камерах и естественное оттаивание образцов.

Коэффициент морозостойкости – отношение прочности на сжатие опытного и исходного элемента. Изменение показателя более 5 %, наличие трещин, отколов сигнализируют об окончании испытаний. Марки изделий содержат характеристики по морозостойкости: F15 (20, 25, 35, 50, 75, 100, 150). Цифровой параметр указывает на количество циклов: чем выше число, тем надежнее возводимая система.

Приобретение кирпича высокой марки морозостойкости опустошит бюджет, заложенный на строительство. Меры по улучшению свойств конструкций, продлению срока эксплуатации в зонах холодного климата без увеличения расходов:

• Применение паро- и гидроизоляции.
• Обработка кладки гидрофобными составами.
• Контроль, своевременное исправление дефектов.
• Надежная гидроизоляция фундамента.

От выбора материала для кладки, его удельной теплоемкости, теплопроводности, морозостойкости зависит срок и комфорт эксплуатации дома. Сложные расчеты, составление сметы расходов лучше доверить опытным специалистам, имеющим опыт в строительстве и проектировании.

Способность материала удерживать тепло оценивается его удельной теплоемкостью , т.е. количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры одного килограмма материала на один градус. Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг*K). Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1°K требуется 4,19 кДж.

Для водонагревательных установок и жидкостных систем отопления лучше всего в качестве теплоаккумулирующего материала применять воду, а для воздушных гелиосистем - гальку, гравий и т.п. Следует иметь в виду, что галечный теплоаккумулятор при одинаковой энергоемкости по сравнению с водяным теплоаккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной теплоаккумулятор диаметром 1,5 м и высотой 1,4 м имеет объем 4,3 м 3 , в то время как галечный теплоаккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м 3 .

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода теплоаккумулирующего материала. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания, кВт*ч/кг:

• нефть - 11,3;
• уголь (условное топливо) - 8,1;
• водород - 33,6;
• древесина - 4,2.

При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции - десорбции) может аккумулироваться 286 Вт*ч/кг теплоты при разности температур 55°C. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60°C составляет 14…17 Вт*ч/кг, а в воде - 70 Вт*ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление - затвердевание) плотность аккумулирования значительно выше, Вт*ч/кг:

• лед (таяние) - 93;
• парафин - 47;
• гидраты солей неорганических кислот - 40…130.

К сожалению, лучший из приведенных в таблице 2 строительных материалов - бетон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/(кг*K), удерживает лишь ¼ того количества тепла, которое хранит вода того же веса. Однако плотность бетона (кг/м 3) значительно превышает плотность воды. Во втором столбце таблицы 2 приведены плотности этих материалов. Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, получим теплоемкость на кубический метр. Эти величины приведены в третьем столбце таблицы 2. Следует отметить, что вода, несмотря на то, что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на 1 м 3 выше (2328,8 кДж/м 3), чем остальные материалы таблицы, в силу ее значительно большей удельной теплоемкости. Низкая удельная теплоемкость бетона в значительной степени компенсируется его большой массой, благодаря которой он удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м 3).