Теплопроводностью называется процесс передачи тепла внутри тела или от одного к другому при соприкосновении частиц тела или двух тел, имеющих различную температуру.
В соответствии с законом Фурье количество тепла, проходящего в единицу времени через поверхность твердого тела, пропорционально коэффициенту теплопроводности материала, площади поперечного сечения тела, разности температур ограничивающих его плоскостей и обратно пропорционально толщине тела.
По закону Фурье количество тепла, проходящее через твердое тело, в ккал/ч
Q = F(t1 - t2), (1)
где - коэффициент теплопроводности материала в ккал/м ч град;
- толщина тела или материального слоя в м;
F - площадь в м2;
t1 - t2 - разность температур плоскостей, ограничивающих тело, в град.
Если = 1м, F = 1 м2 и t1 - t2 = 1°, то Q = ккал/м ч град;
Следовательно, коэффициент теплопроводности материала определяется как количество тепла, проходящее в течении 1ч через 1м2 поверхности тела толщиной 1 м при разности температур на границах тела 1°.
Величина коэффициента теплопроводности зависит от объемного веса, влажности и температуры материала. При увеличении объемного веса материала, его влажности и температуры значение коэффициента теплопроводности возрастает. Значение коэффициента теплопроводности строительных материалов приводятся в Строительных нормах и правилах (см. СНиП).
Отношение / в уравнении (1) называют тепловой проводимостью материального слоя. Оно показывает, какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 м2 материального слоя при разности температур 1°. Отношение / , т. е. обратную величину, называют термическим сопротивлением материального слоя. Эта величина имеет размерность м2 ч град /ккал.
Конвекцией называют передачу тепла движущимися частицами газа или жидкости. Соприкасаясь с нагретым телом, эти частицы нагреваются, перемещаются в пространстве и передают тепло другим телам с более низкой температурой. Например, воздух помещения, соприкасающийся с поверхностью отопительного радиатора, нагревается, расширяется и в результате уменьшения объемного веса поднимается кверху, а на смену ему из нижней части помещения поступает более холодный воздух.
Количество тепла, передаваемое конвекцией, определяется по формуле
Q к = к FD t, (2)
где Q - количество передаваемого тепла в ккал/ч;
к - коэффициент конвекции в ккал/м2 ч град;
F - поверхность, участвующая в теплообмене, в м2;
D t - разность температур поверхности и окружающего воздуха в град.
Коэффициент конвекции к зависит в основном от скорости движения воздуха и разности температур у тепловоспринимающей или теплоотдающей поверхности. Конвективный поток может быть естественным и вынужденным. В первом случае конвекция возникает под воздействием разности объемных весов воздуха, а во втором - под воздействием какого-либо постороннего побудителя (например, движения воздуха у поверхности наружных стен здания под действием ветра).
В строительной теплотехнике для определения коэффициента конвекции пользуются эмпирической формулой
к = 13 ккал/м2 ч град, (3)
где n - скорость ветра для данной местности в м/сек.
Для ориентировочных расчетов скорость ветра на открытом месте можно принимать равной 1,5 м/сек.
При излучении тепло передается лучистой энергией от одного нагретого тела к другому, менее нагретому, через воздух без нагревания последнего. Излучение имеет большое значение при передаче тепла от нагревательных приборов к наружным стенкам помещений, внутренним перегородкам, мебели. Внутренние перегородки и мебель, повышая свою температуру, отдают тепло воздуху помещения путем конвекции.
Теплообмен излучением может происходить только между телами с различной температурой. По закону Стефана - Больцмана энергия теплоизлучения Е в ккал/ч пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела, т. е.
Е = С F ()4 ккал/т, (4)
где С - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоизлучения, в ккал/м2 ч x °К4 (по температурной шкале Кельвина);
F - поверхность излучения в м2 ;
Т - абсолютная температура в °К.
Коэффициент теплоизлучения зависит от природы тела, обработки его поверхности и температуры тела. Наибольшим коэффициентом теплоизлучения обладает абсолютно черное тело: для него С0 = 4,96 ккал/м2 ч °К4; коэффициент теплоизлучения бетона равен 3,1 ккал/м2 ч °К4.
Если теплообмен излучением происходит между двумя параллельными поверхностями, то количество тепла, отданное излучением более нагретой поверхности (температура Т1) менее нагретой (температура Т2), составит
Qизл = Спр F [ ( )4 - ( )4 ], (5)
где С пр - приведенный коэффициент теплоизлучения в ккал/м2 ч °К, определяемый по формуле
С пр = , (6)
в которой С1 - коэффициент теплоизлучения поверхности с температурой Т1;
С2 - то же с температурой Т2;
С0 - коэффициент теплоизлучения абсолютно черного тела.
Взамен уравнения (5) иногда используются равнозначным ему уравнением
Qизл = изл (t1- t2), (7)
где изл - коэффициент теплообмена излучением в ккал/м2 ч град.
Из уравнений (5) и (7) следует, что
изл = , (8)
Значения коэффициента изл изменяются в довольно широких пределах в зависимости от температуры поверхностей, участвующих в процессе теплообмена.
Переход тепла через плоскую стенку.При всех вариантах теплообменах передача тепла осуществляется последовательно в три этапа: тепловосприятие - тепловая энергия передается поверхности ограждения; теплопроницание - тепло преодолевает толщу ограждения; теплоотдача - поверхность ограждения отдает тепло в сферу более холодного воздуха. Виды теплообмена и этапы передачи можно представить графически (рисунок 2). Тепловому потоку, проходящему через ограждение, среда оказывает сопротивление, которое называют, соответственно этапу передачи, сопротивлением тепловосприятия (Rв); термическим сопротивлением ограждающей конструкции (Rк) и сопротивлением теплоотдачи (Rн).
Рисунок - 2 Виды теплообмена и этапы передачи тепла