Что лучше проводит тепло металл или дерево

Обновлено: 30.06.2024

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50.13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

Наименование	Коэффициент теплопроводности
В сухом состоянии	При нормальной влажности	При повышенной влажности
Сосна, ель поперек волокон	0,09	0,14	0,18
Сосна, ель вдоль волокон	0,18	0,29	0,35
Дуб вдоль волокон	0,23	0,35	0,41
Дуб поперек волокон	0,10	0,18	0,23
Пробковое дерево	0,035
Береза	0,15
Кедр	0,095
Каучук натуральный	0,18
Клен	0,19
Липа (15% влажности)	0,15
Лиственница	0,13
Опилки	0,07-0,093
Пакля	0,05
Паркет дубовый	0,42
Паркет штучный	0,23
Паркет щитовой	0,17
Пихта	0,1-0,26
Тополь	0,17

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

Название	Коэффициент теплопроводности	Название	Коэффициент теплопроводности
Бронза	22-105	Алюминий	202-236
Медь	282-390	Латунь	97-111
Серебро	429	Железо	92
Олово	67	Сталь	47
Золото	318

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающих
конструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

Формула расчета теплового сопротивления

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т.д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

Для начала просчитаем тепловое сопротивление стены из кирпича. Полтора кирпича это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кладки из кирпича 0,56. Считаем по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Такое тепловое сопротивление имеет стена в 1,5 кирпича.
Эту величину отнимаем от общего теплового сопротивления для региона: 3,5-0,68 = 2,82. Эту величину необходимо «добрать» теплоизоляцией и отделочными материалами.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

Теплопроводность

Участник:Шароглазова Ксения Сергеевна
Руководитель: Печерская Светлана Юрьевна

Актуальность: В наше время разрабатываются новые материалы. Знания о теплопроводности различных веществ позволяет не только широко использовать их, но и предотвращать их вредное воздействие в быту, технике и природе.

Цель: изучение явления теплопроводности, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостями и газами.

Задачи:

изучить теоретический материал по данному вопросу;
исследовать теплопроводность твердых тел;
исследовать теплопроводность жидкостей;
исследовать теплопроводность газов;
сделать выводы о полученных результатах.

Гипотеза: все вещества (твердые, жидкие и газообразные) имеют разную теплопроводность.

Оборудование: спиртовка, штатив, деревянная палочка, стеклянная палочка, медная проволока, пробирка с водой.

Элементы УМК к учебнику А.В.Перышкина: учебник «Физика. 8 класс» А.В.Перышкина

Содержание работы

Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку. Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.

Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.

Опыт 1. Исследование теплопроводности твердых тел на примере деревянной палочки, стеклянной палочки и медного стержня

Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится.

Вывод: дерево обладает плохой теплопроводностью.

Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец останется холодным.

Вывод: стекло имеет плохую теплопроводность.

Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.

Вывод: металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.

Рассмотрим передачу тепла от одной части твердого тела к другой на следующем опыте. Закрепим один конец толстой медной проволоки в штативе. К проволоке прикрепим воском несколько гвоздиков (рис. 6). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет таять. Гвоздики начнут постепенно отваливаться. Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные.

Выясним, как происходит передача энергии по проволоке. Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и т. д. Следует помнить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.

Опыт 2. Исследование теплопроводности жидкостей на примере воды

Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой и станем нагревать ее верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется (рис. 7). Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.

Вывод: теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности металлов.

Опыт 3. Исследование теплопроводности газов

Исследуем теплопроводность газов.

Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх (рис. 8). Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел.

Вывод: теплопроводность у газов еще меньше, чем у жидкостей. Итак, теплопроводность у различных веществ различна.

Выводы и их обсуждение

Вывод: Проведенные опыты показывают, что теплопроводность у различных веществ различна. Наибольшей теплопроводность обладают металлы, у жидкостей теплопроводность невелика и самая малая теплопроводность у газов.

Используя §4 учебника физики для 8 класса, представим результаты в виде таблицы:

металлы (серебро, медь, железо)

пористые тела, пробка, бумага, стекло, кирпич, пластмассы

волосы, перья птиц, шерсть

Объяснение явления теплопроводности с молекулярно-кинетической точки зрения: теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В металлах частицы расположены близко, они постоянно взаимодействуют друг с другом. Скорость колебательного движения в нагретой части металла увеличивается и быстро передается соседним частицам. Повышается температура следующей части проволоки. В жидкостях и газах молекулы расположены на больших расстояниях, чем в металлах. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Применение теплопроводности

Теплопроводность на кухне

Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы (медь, алюминий…), так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается пище. Иногда бывает необходимо уменьшить теплопроводность — в этом случае используют кастрюли из материалов с более низкой теплопроводностью, или готовят способами, при которых пище передается меньшее количество тепла. Приготовление блюд на водяной бане — один из примеров уменьшения теплопроводности. Для посуды, предназначенной для приготовления пищи, не всегда используют материалы с высокой теплопроводностью. В духовом шкафу, например, часто используют керамическую посуду, теплопроводность которой намного ниже, чем у металлической посуды. Их самое главное преимущество — способность держать температуру. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне — плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке. Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью.

Материалы с невысокой теплопроводностью также используют для поддержания температуры пищи неизменной. Так, например, чтобы утренний кофе или суп, который берут в путешествие или на обед на работу, оставался горячим, его наливают в термос, чашку или банку с хорошей теплоизоляцией. Чаще всего в них пища остается горячей (или холодной) благодаря тому, что между их стенками находится материал, плохо проводящий тепло. Это может быть пенопласт или воздух, который находится в закрытом пространстве между стенками сосуда. Он не дает теплу перейти в окружающую среду, пище — остыть, а рукам — получить ожог. Пенопласт используют также для стаканчиков и контейнеров для пищи навынос. В вакуумном сосуде Дьюара (известном как «термос», по названию торговой марки) между наружной и внутренней стенкой почти нет воздуха — это еще больше уменьшает теплопроводность.

Отопительная система

Задача любой системы отопления является эффективная передача энергии от теплоносителя (горячей воды) в помещение. Для этого используют специальные элементы системы отопления – радиаторы. Радиаторы предназначены для повышения теплопередачи накопившейся в системе тепловой энергии в помещение. Они представляют собой секционную или монолитную конструкцию, внутри которой циркулирует теплоноситель. Основные характеристики радиатора отопления: материал изготовления, тип конструкции, габаритные размеры (кол-во секций), теплоотдача. Чем выше этот показатель, тем меньше тепловых потерь будет при передаче энергии от теплоносителя в помещение. Лучший материал для изготовления радиаторов – это медь. Наиболее часто используют чугунные радиаторы; алюминиевые радиаторы; стальные радиаторы; биметаллические радиаторы.

Теплопроводность для тепла

Мы используем материалы с низкой теплопроводностью для поддержания постоянной температуры тела. Примеры таких материалов — шерсть, пух, и синтетическая шерсть. Кожа животных покрыта мехом, а птиц — пухом с низкой теплопроводностью, и мы заимствуем эти материалы у животных или создаем похожие на них синтетические ткани, и делаем из них одежду и обувь, которые защищают нас от холода. Кроме этого мы делаем одеяла, так как спать под ними удобнее, чем в одежде. Воздух имеет низкую теплопроводность, но проблема с холодным воздухом в том, что обычно он может свободно двигаться в любом направлении. Он вытесняет теплый воздух вокруг нас, и нам становится холодно. Если движение воздуха ограничить, например, заключив его между внешней и внутренней стенками сосуда, то он обеспечивает хорошую термоизоляцию. У снега и льда тоже низкая теплопроводность, поэтому люди, животные и растения используют их для теплоизоляции. В свежем не утрамбованном снеге внутри находится воздух, что еще больше уменьшает его теплопроводность, особенно потому, что теплопроводность воздуха ниже теплопроводности снега. Благодаря этим свойствам, ледяной и снежный покров защищает растения от замерзания. Животные роют ямки и целые пещеры для зимовья в снегу. Путешественники, переходящие через заснеженные районы, иногда роют подобные пещеры, чтобы в них переночевать. С древнейших времен люди строили убежища изо льда, а сейчас создают целые развлекательные центры и гостиницы. В них часто горит огонь, и люди спят в мехах и синтетических спальных мешках.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности в организме людей и животных необходимо поддерживать определенную температуру в очень узких пределах. У крови и других жидкостей, а также у тканей разная теплопроводность и ее можно регулировать в зависимости от потребностей и окружающей температуры. Так, например, организм может изменить количество крови на участке тела или во всем организме с помощью расширения или сужения сосудов. Наше тело также может сгущать и разжижать кровь. При этом теплопроводность крови, а, следовательно, и части тела, где эта кровь течет, изменяется.

Теплолечение

Современные методы лечения теплом могут быть разделены на три большие группы: 1) контактное приложение нагретых сред; 2) светотепловое облучение и 3) использование теплоты, образующейся в тканях при прохождении высокочастотного электрического тока. Остановимся на использовании нагретых сред. Для теплолечения выбираются среды, позволяющие создать в них значительный запас теплоты. Эта теплота затем должна медленно и постепенно передаваться организму во все время процедуры. Для этого среда должна иметь, возможно, высокую теплоемкость и сравнительно низкие теплопроводность и конвекционную способности. Для теплолечения в основном применяют следующие среды: воздух, воду, торф, лечебные грязи и парафин.

Теплопроводность в бане

Многие любят отдыхать в саунах или банях, но сидеть там на скамейках из материала с высокой теплопроводностью — было бы невозможно. Требуется много времени, чтобы сравнять температуру таких материалов с температурой тела, поэтому вместо них используют материалы с низкой теплопроводностью, например дерево, верхние слои которого намного быстрее принимают температуру тела. Так как в сауне температура поднимается достаточно высоко, люди часто надевают на голову шапочки из шерсти или войлока, чтобы защитить голову от жары. В турецких банях хамамах температура намного ниже, поэтому там для скамеек используют материал с более высокой теплопроводностью — камень.

Интересные факты о теплопроводности

Тепло ли колючим зверям в иголках?

Шерсть не только спасает зверей от холода, но и служит средством защиты. А чтобы защита была внушительнее и надежнее, волосяной покров порой видоизменяется, превращаясь в своеобразные доспехи. Иглы, например. Но вот сохраняет ли такое облачение присущие шерсти свойства, не зябнут ли ежи и дикобразы в своих колючих шубках?

Ученые Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северова РАН обстоятельно изучили теплопроводные и теплоизоляционные свойства иголок, взятых со спины взрослого самца североамериканского дикобраза из коллекции Зоологического музея МГУ, и убедились, что греют эти самые иголки очень даже неплохо. Чтобы понять внутреннюю структуру игл, на них делали тонкие срезы, на которые напыляли золото для исследования в электронном микроскопе. Кератин — главная составляющая иголок — проводит тепло в 10 раз лучше, чем воздух. И благодаря этому иглы увеличивают теплопроводность «доспехов». Следовательно, возрастают и потери тепла с тела животного. Однако внутренняя пористая структура игл создает дополнительное экранирование теплового излучения, что, скорее всего, и компенсирует увеличение теплопроводности. Так что дикобраз, как и другие колючие звери, вовсе не страдает от холода. Иглистый покров сохраняет ровно столько тепла, сколько нужно теплокровному животному такого размера.

Полипропилен

Пока является лучшей основой для материалов (волокон, нитей, пряжи, полотен, тканей), используемых в производстве нательной спортивной одежды, термобелья и термоносков. Среди всех синтетических материалов, применяемых в этой области, он обладает самой низкой теплопроводностью. Поэтому одежда из полипропилена позволяет наилучшим образом сохранить тепло зимой и прохладу летом.

Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?

Материалом с наивысшей теплопроводностью является вовсе не какой-нибудь металл (серебро или медь), как думают многие. Самую высокую теплопроводность имеет материал, который похож на стекло – алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше, чем у серебра или меди. Если изготовить чайную ложечку из алмаза, то воспользоваться ею не удастся, так как она будет обжигать пальцы в ту же секунду.

Из чего изготавливают сваи при строительстве зданий в регионах с вечной мерзлотой?

Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины из-за подтаивания грунта под ними. Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту. Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала, внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.

«Огнеупорный шарик»

Обычный воздушный шарик, надутый воздухом, легко воспламеняется в пламени свечи. Он тут же лопается. Если же к пламени свечи поднести такой же шарик, заполненный водой, он становится «огнеупорным». Теплопроводность воды в 24 раза больше, чем у воздуха. Значит, вода проводит тепло в 24 раза быстрее, чем воздух. Пока вода не испарится внутри шарика – он не лопнет.

Теплопроводность дерева и металла

Почему при прикосновении к железу или к дереву железо на ощупь холоднее, чем дерево?

И не очень-то и важно, при комнатной температуре или зимой. Ощущения те же.

Почему зимой железо холоднее, чем дерево?

Если помещение и предметы в нем нагреты до температуры тела человека, то он на ощупь не отличит металлический предмет или деревянный, конечно, если фактура поверхности одинаковая. Можете поэкспериментировать. А вот в других условиях, например, при отрицательной температуре достаточно поднести руку, даже не касаться и можно отличить металл от дерева. Рука теплая, а тепло, энергия всегда передается от более нагретых предметов к менее нагретым и эти предметы будут нагреваться, а рука будет остывать и об этом тут же просигнализируют в мозг нервные окончания, рука мерзнет. Но нагревается не весь предмет сразу, а только поверхность, наружный слой, от которого будет нагреваться следующий слой и так далее, пока не нагреется весь предмет от руки. У металла способность передавать тепло внутри предмета выше, чем у дерева, поэтому рука быстро нагреет поверхность деревянного предмета и не так сильно замерзнет. Поскольку в нашей жизни этот опыт проводился много раз с раннего детства, то мы сразу ощутим где дерево, где металл и отдернем руку от металла в мороз, чтобы не повредить кожу.

Противоположные поверхности материала имеют разные температуры. Из-за этого образуется тепловой поток, с помощью которого можно определить теплопроводность. В данной статье мы изучим конкретный строительный материал – дерево. Помогут изучить вопрос подробные таблицы, а также видеозаписи.

Чем хорошо дерево? Материал легок в обработке, с ним можно самостоятельно возвести частный дом. Один из самых очевидных плюсов дерева – это его цена. В России древесный ресурс есть в достатке.

Теплопроводность – изучаем свойство

Древесина удобна для строительства коттеджей, дач и частных домов по той причине, что её теплопроводность не меняется при широком температурном диапазоне – от -40°C до +40°С. Но есть и другие факторы, от которых зависит теплопроводность того или иного материала. К примеру, влажность – она оказывает наибольшее влияние на показатель теплопроводности.

Таблица ниже наглядно демонстрирует теплопроводность различных пород дерева:

Разобраться с таблицей довольно легко: чем ниже коэффициент проводимости, тем лучше материал. Для обозначения теплопроводности используется буква «R». Теперь стоит рассмотреть разные породы, а поможет в этом таблица.

Породы древесины для строительства

О пробковом дереве мы пока говорить не будем, так как построить из него дома будет довольно проблематично. Что касается лучшего варианта, то им является кедр. Он имеет самый низкий коэффициент – 0,095 Вт/(м*С). Коттедж или дача, построенная из кедрового дерева, получится самой теплой, если сравнивать с постройками из других древесных материалов.

Важным моментом является показатель толщины, который влияет на теплопроводность дерева. Буквой «R» определяется соотношение толщины слоя и проводимости тепла. В идеале показатель «R» должен быть 3 или 4. К примеру, чтобы получить R=3 при строительстве дома из кедра, необходимо делать толщину стен не менее 30 сантиметров.

Ель является не менее удачным материалом для постройки частного дома, при этом она имеет показатель 0,110 Вт/(м*С). Чтобы R был около трех, потребуются слои 33-35 см. Береза, сосна, пихта – эти породы уже идут с большим отрывом – 0,150 Вт/(м*С). Если есть желание, чтобы частный дом, коттедж или дача была построена из березы или пихты, то необходимо позаботиться о толщине стен. Чтобы добиться R=3 потребуются стены 45 см.

Далее идут самые «холодные» породы:

Дуб – 200 Вт/(м*С);
Клен – 190 Вт/(м*С);
Тополь – 170 Вт/(м*С).

Разумеется, что дубовый дом смотрелся бы оригинально и роскошно, но для R=3 стена такой постройки должна быть 55-60 см. Да и найти рубанок с толщиной полметра будет проблематично.

Расположение волокон

Коэффициент теплопроводности может отличаться в зависимости от расположения волокон. В таблице можно увидеть, что напротив некоторых материалов стоит указание – вдоль волокон или поперек. Показатель теплопроводности тепла вдоль волокон обычно равен 0.4. В минусовые температуры материал будет замерзать в четыре раза сильнее вдоль волокон, чем поперек. Об этом могут сообщить промерзшие углы, которые можно наблюдать у многих деревянных построек.

Чтобы понимать разницу между деревом и другими материалами, использующимися для строительства, стоит ознакомиться с этим графиком :

Также, если напротив определенной породы указано «вдоль волокон», то стоит знать, что торцы стропил или брусьев будут быстрее промерзать при небольших морозах. Такие материалы не рассчитаны для суровых зим, так они несут холод в помещения вдоль волокон. Теперь можно вернуть к пробковому дереву, которое имеет минимальный коэффициент. Использовать его в строительстве нельзя по той причине, что пробка имеет минимальную прочность. Но зато эта порода отлично подходит для утепления.

Особенности конструкции из древесины

Для строительства дач, коттеджей, а также частных домов используется стандартный брус с толщиной 100-150 миллиметров. Брус изготавливают из хвойных пород, которые имеют оптимальное соотношение теплопроводности и стоимости. Толщина стены из хвойного дерева должна быть около 45 сантиметров для снижения проводимости, а брус имеет толщину около 15 см. В чем же дело? Сегодня в строительстве не используется только один материал, ведь это не выгодно. Полезная таблица для тех, кто собирается возводить постройки из древесины.

Более рационально делать относительно тонкие стены с утеплением. Особенно оно требуется в холодных регионах, где температура -20°C является обычным делом. Помимо подходящего для частных домов показателя теплопроводности, древесина обладает и другими полезными свойствами, которых нет у бетона, кирпича:

Обрабатываемость;
Упругость;
Износостойкость.

Приведена обширная таблица теплопроводности строительных материалов, а также плотность и удельная теплоемкость материалов в сухом состоянии при атмосферном давлении и температуре 20…50°С (если не указана другая температура). Значения даны для более 400 материалов!

Следует обратить внимание на величину теплопроводности строительных материалов в таблице, поскольку эта характеристика, наряду с их плотностью, является наиболее важной. Особенно теплопроводность важна для строительных материалов, применяемых в качестве теплоизоляции при утеплении строительных конструкций.

Теплопроводность строительных материалов существенно зависит от их пористости и плотности. Чем меньше плотность, тем ниже теплопроводность материала, поэтому низкая теплопроводность свойственна пористым и легким материалам (значения плотности строительных материалов, металлов и сплавов, продуктов и других веществ вы также сможете найти в подробной таблице плотности).

Например, в нашей таблице теплопроводности материалов и утеплителей можно выделить следующие строительные материалы с низким показателем коэффициента теплопроводности — это аэрогель (от 0,014 Вт/(м·град)), стекловата, пенополистирол пеноплэкс и вспененный каучук (от 0,03 Вт/(м·град)), теплоизоляция МБОР (от 0,038 Вт/(м·град)), газобетон и пенобетон (от 0,08 Вт/(м·град)).

Что лучше проводит тепло металл или дерево

ОПЫТЫ ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Разные твердые вещества по-разному проводят тепло. Лучше всего это делают металлы. Но и среди металлов есть чемпионы по теплопроводности. К ним относятся так называемые «благородные металлы» — платина, золото, серебро.

Опыт с железным гвоздем

В толстую чурку забей гвоздь и поставь ее на противень.
Снизу к этому длинному гвоздю прилепи пластилином, или воском несколько маленьких гвоздиков. Под шляпку гвоздя подставь горящую свечу.

Смотри: вот отвалился один гвоздик. другой… третий…
Строго по порядочку, по очереди.

Сначала самый близкий к огню, потом все дальше, дальше…
Значит, тепло передается по гвоздю от нагретого конца к холодному. И передается постепенно.

Опыт с деревом

Когда гвоздь остынет, выдерни его и в оставшееся отверстие вставь лучинку.
Повтори тот же опыт с ней.

Картина будет совсем другая!
Конец лучинки загорится, а гвоздики будут держаться по-прежнему. Выходит, что дерево проводит тепло гораздо хуже, чем железо.

Опыт со стеклом

Если есть у тебя подходящая по толщине стеклянная палочка или трубка, повтори опыт с ней.
Она, конечно, не горит, но тепло проводит не лучше дерева.

Опыт с ложками

Возьмите две чайные ложки: одну серебряную, другую из никелевого сплава. Прикрепите к ним каплями стеарина скрепки для бумаг. Вложите ложки в стакан, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны. Налейте в стакан кипяток. Ложки нагреются. У серебряной ложки стеарин расплавится, и скрепка отпадет. У другой ложки скрепка или совсем не отпадет, или отпадет позже, когда ложка нагреется сильнее.

Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Если нет серебряной ложки, возьмите такие, какие у вас есть, но только из разных металлов. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен.

Опыт с монетой

Различные вещества по-разному проводят тепло. Это хорошо видно из небольшого опыта.
Приложите к кусочку дерева монету и оберните их белой бумагой. Поднесите все это на короткое время к пламени свечи так, чтобы пламя только коснулось места, где над бумагой находится монета. Старайтесь не дать бумаге загореться. Но бумага все же успела обуглиться, и обуглилась она вокруг монеты.

Там же, где была сама монета, остался не тронутый огнем белый кружок. Металл монеты, как хороший теплопроводный материал, отобрал на себя жар пламени и предохранил бумагу от обгорания.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОРИСТЫХ ТЕЛ

Из твердых веществ хуже всего проводит тепло керамика, пластмасса, дерево, ткань.

Вот поэтому ручки у чайников или сковородок делают из пластмассы или дерева. А если ручка металлическая, то, чтобы не обжечь пальцы, приходится пользоваться тряпкой. Она тоже плохо проводит тепло и, предохраняя руку от ожога, служит теплоизоляцией.

Опыт

Распушите небольшой комок ваты и оберните им шарик термометра.
Теперь подержите некоторое время термометр на определенном расстоянии от какого-нибудь нагревателя и заметьте, как поднялась температура. Затем тот же комок ваты сожмите и туго обмотайте им шарик термометра и снова поднесите к лампе. Во втором случае ртуть поднимется гораздо быстрее.
Значит, сжатая вата проводит тепло намного лучше!

Высокие теплоизоляционные свойства вате придает воздух, заключенный между волокнами распушенной ваты (а не сама вата). Шерсть теплее, чем вата, именно потому, что ее волокнистая структура позволяет задерживать в себе еще больше воздуха.

На этом же принципе основано производство теплоизоляционных материалов для домостроения. В них делают как можно больше воздушных промежутков.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГАЗА

Зимой вы применяете теплоизоляцию и надеваете теплое пальто или шубу. Воздух, который содержится между волокнами ваты или меха, как и всякий газ, плохой проводник тепла.

Итак, для того чтобы предохранить что-либо от холода, применяется теплоизоляция. Но и от излишнего тепла приходится принимать теплоизоляционные меры. Когда космический корабль на спуске с огромной скоростью летит в атмосфере Земли, его стенки трутся о воздух и сильно нагреваются. Для сохранения внутри корабля от высокой температуры экипажа и аппаратуры применяют теплоизоляционный, теплостойкий чехол. Он состоит из слоев плохо проводящих теплоту материалов.

Опыт 1

Уже говорилось о том, что газы плохо проводят тепло.
Возьмите алюминиевую тарелочку от детской посуды, поставьте ее на небольшой огонь и, когда она достаточно нагреется, налейте на нее половину чайной ложки воды.

Вода не испарится мгновенно, как следовало бы ожидать. Вода перекатится плоским шариком — сфероидом на самое низкое место тарелочки и замрет там на раскаленном металле. Кажется странным, что вода не превращается сразу в пар. Конечно, вода испаряется, но этот самый пар, в который превращается вода, и предохраняет большую сфероидальную каплю от раскаленного металла. Пар в данном случае оказывается отличной теплоизоляцией.

Опыт 2

Когда вы гладите белье, переверните утюг и, если он достаточно нагрет, брызните на него водой. Она сразу превратится в маленькие круглые шарики, которые быстро покатятся по утюгу.

Эти мелкие шарообразные капельки тоже не испарились мгновенно, их тоже защитила от жара утюга паровая прослойка, «паровая подушка». На этой «паровой подушке» водяные шарики и пропутешествовали по раскаленному утюгу.

Опыт 3

Возьмите несколько маленьких кусочков сухого льда, положите их на гладкую поверхность алюминиевой тарелки. Наклоняйте тарелку в разные стороны. Кусочки сухого льда будут легко скользить по гладкой поверхности. Теплая поверхность алюминиевой тарелки (ее температура отличается от температуры сухого льда по крайней мере на 100 градусов) помогает углекислому газу более бурно выделяться. Под кусочками сухого льда получаются «углекислые подушки», на них и происходит скольжение.

Источник: "Здравствуй, физика", Л. Гальперштейн; Ф.Рабиза "Опыты без приборов" и "Космос у тебя дома"

О чем умолчал Перышкин?
О том, как сделать домашнее задание, ответить на вопросы и решить задачи в упражнениях!
Уверена, что думающие ученики сначала всё сделают сами, а эти сведения будут помощью «застрявшим в пути».
Ответы на ДЗ по физике помогут вам проверить себя и найти ошибки.

Ответы на ДЗ из упражнений соответствуют всем выпускам учебников этого автора, начиная с 1989 г.
Так как номера упражнений с одинаковыми вопросами в разных выпусках различаются, ответы на вопросы к упражнениям скомпонованы по темам параграфов.
На этой странице ГДЗ по темам: «Теплопроводность, конвекция, излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике»

1. Почему глубокий рыхлый снег предохраняет хлеба на полях от вымерзания?

В толстом слое рыхлого снега между снежинками много воздуха, а воздух плохо проводит тепло, то есть он имеет низкую теплопроводность.
Поэтому зимний холод снаружи плохо проходит к поверхности земли , тепло под снегом сохраняется, и хлеба не промерзают.

2. Чем объяснить большую разницу между теплопроводностью сосновых опилок и сосновых досок (это справедливо и для других пород деревьев)?

В куче опилок расстояния между опилками большие и заполнены воздухом, а воздух имеет плохую теплопроводность.
Волокна же в доске расположены близко друг к другу, и такого количества воздуха внутри доски нет.
Поэтому теплопроводность опилок значительно меньше, чем у доски (для сосны в 3,7 раза).

3. Почему вода не замерзает под толстым слоем льда?

Лёд обладает плохой теплопроводностью. Поэтому наружный зимний холод плохо проникает через слой льда, и вода подо льдом не замерзает.

4. Почему выражение «шуба греет» неправильно?

Сама шуба не является источником тепла.
Однако воздух, находящийся между ворсинками меха имеет плохую теплопроводность и не пропускает ни наружный холод к телу человека, ни тепло от человека через шубу наружу.
Итак, шуба лишь сохраняет тепло тела, но не греет его.

5. Ножницы и карандаш, лежащие на столе, имеют одинаковую температуру. Почему на ощупь ножницы кажутся холоднее?

Что значит, руке холодно или тепло?
Когда рука соприкасается с окружающей средой (например, воздухом) или предметом, всегда начинается теплообмен между ними, т.е. выравнивание температур.
Если воздух или предмет холоднее руки, он отбирает у нее тепло, и рука ощущает холод.
Если воздух или предмет теплее руки, он сообщает руке тепло, и рука ощущает тепло.

Температура тела человека равна 36,6 °С, а воздуха обычно ниже.
Берем в одну руку металлические ножницы, в другую - деревянный карандаш.
Свойство металлов - быстро нагреваться (или остывать), а дерево нагревается (и остывает) медленнее.
То есть теплопроводность у металлов высокая, а у дерева низкая.

При соприкосновении с рукой металл начинает быстро забирать тепло от руки и распространять его по всему своему объему.
Рука при этом чувствует холод.
Лишь через какой-то промежуток времени металл прогреется целиком до температуры человеческого тела, и рука перестанет ощущать холод.
С деревом все по-другому.
При соприкосновении с рукой дерево тоже начинает отбирать тепло у руки, но температуры руки и поверхностного слоя дерева в месте соприкосновения быстро выравниваются, и рука не чувствует холода.
Внутренние же слои дерева еще долго остаются холодными, так как теплопроводность дерева низкая.
В результате, руке кажется, что карандаш теплее ножниц.

Конвекция

1. Почему подвал - самое холодное место в доме??

Подвал – это самое холодное место в доме, потому что он находится в доме в самом низу.
Ведь благодаря конвекции теплый воздух всегда стремится подняться вверх.

2. Правильно ли, что форточки всегда размещают в самом верху окна, а батареи отопления у пола?

Да. Батарея отопления под окном нагревает воздух внизу комнаты.
Затем благодаря конвекции теплый воздух поднимается вверх.
Остывая, он вновь опускается к батарее.
Так происходит перемешивание и прогревание воздуха по всему объему комнаты.
Если батареи поставить под потолком, то теплый воздух всегда будет наверху, а внизу будет холодно – перемешивания холодного и теплого воздуха происходить не будет.
Форточки делают под потолком для проветривания помещения.
При открытой форточке теплый «отработанный» воздух выходит на улицу, а чистый прохладный воздух с улицы через нижнюю часть форточки попадает в комнату.

3. Как же зимой охлаждается воздух в комнате при открытой форточке?

Проветривание комнаты происходит благодаря конвекции.
Например, зимой при открытой вверху форточке теплый воздух через верхнюю часть форточки выходит из комнаты и на улице поднимается вверх.
Х олодный воздух с улицы через нижнюю часть форточки проходит в комнату и опускается к полу вниз.

Излучение. Виды теплопередачи

1. Каким образом летом нагревается воздух в здании? Какие виды теплопередачи при этом присутствуют?

а) Воздух в помещении нагревается благодаря прогреву стен.
В данном случае надо говорить о теплопроводности материала стен.
Излучение невозможно, т.к. стены не прозрачны, кроме того, в твердых телах и конвекция тоже невозможна, т.к. длля конвекции необходимы потоки газа или жидкости.

б) Воздух нагревается через оконные стекла, которые пропускают солнечную энергию.
Здесь основным способом теплопередачи является излучение.
В незначительной степени передача солнечной энергии происходит за счет теплопроводности стекла.
Конвекция невозможна, т.к. стекло твердое тело.

в) Летом воздух в помещении с открытыми окнами прогревается в основном потоками теплого воздуха через окна.
Этот способ теплопередачи называется конвекцией.
Возможна передача части энергии излучением.
Передача энергии за счет теплопроводности воздуха ничтожна, т.к. теплопроводность воздуха очень плохая.

2. Приведите примеры, когда тела с темной поверхностью нагреваются излучением сильнее, чем тела со светлой поверхностью.

Например:
Человеку в жару прохладней в светлой одежде, а жарче в темной.
Грязный снег весной тает быстрее, чем чистый.
Цвет обшивки самолетов делают светло серебристым, чтобы лучше происходило отражение солнечной энергии и самолет меньше нагревался солнцем.

3. Каким способом передается энергия от Солнца к Земле?

Передача солнечной энергии способом теплопроводности или конвекции невозможна, т.к. для этого нужно вещество, а в космосе вакуум.
Солнечная Энергия передается от Солнца к Земле только излучением.

Примеры теплопередачи в природе и технике

1. Для чего делают высокими заводские трубы?

Заводским трубам придают обычно большую высоту, исходя из двух целей:
1) управление тягой печей и экономия топлива;
2) отведение продуктов горения в верхние слои атмосферы.

Продукты горения даже в очень малых долях вредны и ядовиты.
Но, дым, выйдя из высокой трубы еще нагретым, поднимается еще выше, проходит через верхние слои воздуха, перемешивается с ними и становится допустимой смесью.

Главной же причиной в необходимости высоких труб является получение сильной тяги в печах, чтобы сгорание топлива было полным. Известно, что для горения необходим кислород.
Обычно вес воздуха, поступающий в печь для горения, превосходит вес топлива примерно в 1,5 раза.
Теплота, получаемая при горении, определяется воздухом не менее, чем топливом. Количество тепла, получаемое при сжигании топлива, возрастает с количеством подводимого воздуха.
А количество подводимого воздуха зависит от тяги в трубе.
Тяга же в трубе во многом зависит от ее высоты. В дымовых трубах скорость движения газов зависит от разности давлений (или от разностей веса этих газов, или плотности холодного и нагретого воздуха).
Дымовая труба действует как насос, у ее основания внутреннее давление менее, чем наружное или атмосферное.
Чем выше труба над топкой, тем больше разница давления наружного воздуха и воздуха в топке и трубе, тем большую тягу обеспечивает труба.

2. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом?

Сила тяги зависит от разности удельного веса воздуха снаружи и газов внутри трубы.
А эта разность зависит от разности температур воздуха снаружи и газов в трубе.
Чем эта разность между температурами и, следовательно, между наружным давлением воздуха и давлением газов в трубе больше, тем сильнее тяга.
Зимой воздух холоднее, его плотность и создаваемое им давление больше.
Вот почему зимою в морозы тяга в печах лучше, чем летом, весной или осенью. Летом иногда может совсем не быть тяги, когда труба сильно охлаждается за ночь, а солнце рано утром нагревает окружающий трубу воздух. Говорят: «Солнце сидит на дымовой трубе».

3. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах той же высоты?

Высокая теплопроводность металла способствует быстрому охлаждению газов, проходящих через трубу, их плотность увеличивается и разница в давлениях в трубе и вне ее уменьшается, что и вызывает ухудшение тяги в трубе.
Кирпич же имеет маленькую теплопроводность, поэтому в кирпичной трубе воздух дольше остается теплым, и тяга лучше, чем в металлической трубе.

4. Обшивка космического корабля нагревается от трения о воздух, а также солнечным излучением.
Какая из причин нагревания приобретает большее значение при увеличении высоты полета? при уменьшении высоты?

На большей высоте полета разреженность атмосферы приводит к уменьшению трения воздуха об обшивку космического корабля.
Здесь основной причиной нагревания обшивки становится солнечное излучение.

При уменьшении высоты полета плотность воздуха увеличивается, и трение его об обшивку увеличивается.
Здесь более плотный воздух сильнее рассеивает солнечные лучи.
С уменьшении высоты полета большее значение приобретает нагрев обшивки за счет трения о воздух.

5. Один из способов поддержания определенной температуры в космическом корабле или спутнике заключается в том, что оболочку спутника делают двойной и ее внутреннюю полость заполняют газом (например, азотом). Этот газ при помощи вентилятора заставляют двигаться около тепловыделяющих приборов и переносить энергию к оболочке. Почему приходится пользоваться вынужденной, а не свободной конвекцией?

Естественная конвекция, т.е. перемешивание слоев воздуха, происходит при неравномерном нагревании воздуха и действии на него силы тяжести.
Вблизи поверхности Земли менее нагретые слои воздуха имеют большую плотность и под действием силы тяжести опускаются вниз.
Более нагретые слои воздуха имеют меньшую плотность и под действием силы Архимеда поднимаются вверх.
В кабине корабля тяготения нет, и естественной конвекции также не возникает.

Читайте также: