Тепловые свойства древесины

К теплофизическим свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Теплоемкость- представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы материала на на 1 °С. Удельная теплоемкость измеряется в кДж/(кг°С). Процессы распространения (переноса) тепла в материале характери­зуются - коэффициентами теплопроводности и температуропроводности. Первый из них входит в уравнение стационарного теплообмена

устанавливающее связь между количеством теплоты Q, распространяю­щейся внутри тела, и площадью сечения F, перпендикулярного тепловому потоку, временем т, перепадом температур At на двух изотермических поверхностях, а также расстоянием между ними Ах. Коэффициент теплопроводности X численно равен количеству теплоты, прохо­дящей в единицу времени через стенку из данного материала площадью 1 м² и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторо­нах стенки в 1 °С. Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м-°С). Второй из указанных выше показателей, характеризует скорость из­менения температуры материала при нестационарном теплообмене (нагре­вании или охлаждении). Коэффициент температуропровод­ности а определяет инерционность материала, т. е. его способность выравнивать температуру. Показатель а, м²/с, численно равен отношению ко­эффициента теплопроводности к теплоемкости единицы объема материала:

где р - плотность, кг/м³. Экспериментально удельную теплоемкость материала определяют калориметрами.

Теплоемкость древесины. Сухая древесина представляет собой двухфазную систему, включающую в себя древесинное вещество и воздух. Однако доля воздуха (по массе) в древесине крайне мала, и теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесинного вещества. Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и по современным данным при О°С для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж/кг°С. С повышением температуры удельная теплоемкость древесины несколько воз­растает по линейному закону и при 100 °С увеличивается примерно на 25 %. Значительно сильнее влияет на теплоемкость увлажнение древесины. Например, увеличение влажности древесины от 0 до 130 % приводит к по­вышению теплоемкости примерно в 2 раза. Теплопроводность древесины. На способность древесины прово­дить тепло оказывает влияние ее плотность. Ловецкий рассчитал коэффициент теплопроводности древесинного вещества, рассматривая древесину как набор пустотелых стержней прямоугольного сечения и используя экспериментальные данные о теплопроводности древесины березы. Увеличение плотности сухой древесины, приводит к возрас­танию теплопроводности древесины. Это объясняется тем, что древесин­ное вещество имеет примерно в 20 раз больший коэффициент теплопроводности, чем воздух. Можно рассчитать теплопроводность древе­синного вещества по теплопроводности древесины, вдоль волокон, полагая, что тепло передается параллельно по клеточным стенкам и возду­ху, заключенному в полостях клеток. Поскольку микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль оси клеток, теплопроводность в этом направлении примерно в 1,5-2 раза выше, чем в поперечном направлении. Поздняя древесина, особенно у хвойных пород, более плот­ная, чем ранняя. Уве­личению теплопроводности в радиальном направлении способствуют сердцевинные лучи с преимущественным расположением микрофибрилл вдоль длины луча. Повышение температуры влажной древесины приводит к еще боль­шему увеличению теплопроводности.

Температуропроводность древесины. Увеличение содержания свободной воды (W > W_{n и}) приводит к резкому падению температуропроводности, потому, что воздух в полостях клеток замещается водой, имеющей примерно в 150 раз меньший коэффициент температуропроводности. Влияние влажности на величину а практически не наблюдается. Это объясняется тем, что воздуха в клеточных стенках почти нет, и влажная клеточная стенка состоит из двух фаз - древесинного вещества и воды, коэффициенты температуропроводности которых до­вольно близки.

Тепловое расширение древесины. При нагревании твердых мате­риалов происходит увеличение их объема. Ко­эффициен т линейного теплового расширения а представляет собой изме­нение единицы длины тела при нагревании его на 1 °С. Наименьший коэффициент линейного расширения в направлении вдоль волокон. Тепловое рас­ширение поперек волокон значительно больше, причем в тангенциальном направлении оно обычно в 1,5-1,8 раза выше, чем в радиальном. Коэффициент линейного расширения вдоль волокон древесины составляет 1/3 - 1/10 коэффициен­тов теплового расширения металлов, бетона и стекла. При нагревании влажной древесины вы­званного повышением температуры, одновременно происходит значитель­но большая влажностная деформация. Изменение влажности на 1 % в об­ласти ниже W_n „ вызывает деформацию в десятки раз большую, чем изме­нение температуры на 1 °С, Таким образом, усушка и разбухание маски­руют чисто температурные деформации древесины поперек волокон. Если повышается температура свежесрубленной древесины, находящейся в во­де, то при первом нагреве происходит увеличение размеров в тангенциаль­ном направлении и сокращение их в радиальном. При последующих нагре­ваниях наблюдается некоторое уменьшение размеров в обоих направлени­ях. Причина увеличения деформации при первом нагреве, очевидно, за­ключается в снятии внутренних напряжений роста. В растущем дереве в тангенциальном направлении действуют сжимающие напряжения, поэтому при снятии их обнаруживается удлинение образца в этом направлении. В радиальном направлении происходит обратное явление.

№20