AbavaNet technology

Теплоизоляция

Теплоизоляция

Что такое теплота и температура?

Тепловой движение

Теплота (или температура, внутренняя энергия) - это интенсивность движения множества частиц, из которых состоят тела и объекты (молекулы, атомы, ионы, электроны и так далее), которая зависит от скорости и массы этих частиц. Температура - удобный и практичный способ выразить одним числом насколько быстро движется "в среднем" все невообразимое количество внутренних составляющих чего-либо.

Все частицы движутся в той или иной мере, поэтому какая-то температура есть у любого объекта. Если молекулы одного из них движутся интенсивнее (быстрее), чем другого, то говорится, что его температура выше, оно горячее.

Температура самопроизвольно переходит от более горячих веществ и тел к более холодным из-за того, что при соударениях составляющих их частиц, более быстрые отдают часть своей энергии более медленным, ускоряя их и замедляясь сами. Мы автоматически и бессознательно оцениваем, насколько тело горячее, когда прикасается к нему.

Таким образом, температура всех связанных или взаимодействующих тел постепенно выравнивается (если, конечно, какие-то из них не нагревают и не охлаждают себя каким-либо специальным образом, как это делают теплокровные существа или холодильные камеры).

При этом некоторые вещества лучше (быстрее) делятся своей температурой (говорят, что оно «проводит» тепло), некоторые - хуже. Это зависит от их особенностей, связанных с их составом, внутренним строением.

Чем хуже вещество проводит тепло, тем «больше его теплоизоляция». Увеличение теплоизоляции помещения от неблагополучных погодных условий внешнего мира – одна из старейших задач человечества.

Что создает лучшую теплоизоляцию?

Воздух

Естественно, хуже всего проводит тепло (то есть обладает наименьшей теплопроводностью и является лучшим изолятором) абсолютный вакуум: в нем попросту нет составляющих его частиц, которые могли бы делиться своей энергией с окружающими их предметами.

Воздух (то есть смесь газов: азота, кислорода и небольшая примесь углекислого газа, водяного пара и прочих), как и любой газ обладает очень маленькой теплопроводностью. Его молекулы находятся очень далеко друг от друга и их столкновения с молекулами других тел крайне редки. Чем более разреженный воздух, тем хуже его теплопроводность – именно поэтому из термосов откачивают воздух насосом, создавая слабый вакуум (какое-то количество воздуха там все-таки остается).

Это верно для тех случаев, когда не происходит так называемая «конвекция» - физическое перемещение теплых частей воздуха в другое место, перемешивание холодных и теплых слоев. Проще говоря, воздух, выступающий теплоизолятором должен быть в целом неподвижен. Самая лучшая иллюстрация конвекции воздуха – проветривание, при котором теплый воздух из помещения улетучивается наружу, а оттуда поступает более холодный уличный.

Что создает теплоизоляцию в стеклопакетах?

Стеклопакет

Именно воздух обычно выступает теплоизолирующим веществом в стеклопакетах - нескольких стеклах, разделенных воздушными зазорами. Его теплоизоляция в 50 раз выше, чем у стекла, в 5 раз – чем у ПВХ, в 4 000 раз выше железа.

Чем больше воздушных зазоров и чем они толще – тем хуже стеклопакет будет проводить тепло. Для максимальной изоляции стоит установить два (или даже больше) окна на большом расстоянии друг от друга. Весь воздушный слой между ними будет служить тепловой изоляцией.

Теплопроводность практически всех газов не сильно различается: она определяется в первую очередь давлением (плотностью), которое для них одинаково. В меньшей степени зависит от массы, размеров и формы молекул: наименьшая теплопроводность у тяжелых одноамтомных (инертных) газов, наибольшая - у легких многоатомных.

Поэтому утверждение о том, что аргон закачивают в воздушные зазоры между стеклами стеклопакета для увеличения теплоизоляции не совсем верно: его теплопроводность лишь на 27% меньше, чем у воздуха. Для сравнения, теплопроводность углекислого газа или водяного пара меньше на 40%. Как правило, аргон заменяет воздух в воздушном зазоре для защиты специального отражающего солнечное излучение напыления на стекле, которое могло бы окислиться из-за кислорода в воздухе и выйти из строя.

Почему же нельзя создать вакуум между стеклами в стеклопакете и таким образом резко повысить его сопротивление теплопередачи? В принципе, это можно сделать, но очень непрактично и дорого.

Дело в том, что давление воздуха снаружи стеклопакета – очень велико. Атмосфера Земли (условной толщиной около 120 км) давит на каждый квадратный сантиметр стеклопакета с такой же силой, как и гиря весом в 1 кг (или гиря весом в 10 тонн на каждый квадратный метр поверхности). Например, как достаточно правдоподобно оценивал Остап Бендер (в «Золотом теленке» Ильфа и Петрова) на человека «давит» около 214 кг.

Если это огромное давление на стекло не компенсируется таким же давлением со стороны воздушного зазора то для того, чтобы стекло выдерживало его – оно должно быть очень-очень толстым (например, толщина свинцованного многослойного стекла некоторых космических скафандров, сдерживающих давление воздуха в нем составляет около 2см).

Кроме того, необходимо будет обеспечить надежную герметичность такого стеклопакета, многократно превышающую стандартную герметизацию стеклопакетов. Иначе через некоторое время вакуум внутри заполнится воздухом и все усилия окажутся напрасными (по той же причине аргон из воздушных зазоров стекол чаще всего за несколько лет улетучивается и энергосберегающие стеклопакеты теряют свою защиту от кислорода и выходят из строя).

Преимущества изоляции вакуумом или разреженным воздухом будут сомнительны: радикально уменьшив и без того небольшие потери тепла через стеклопакет мы не решим проблему нагревания (или охлаждения) через стены и разнообразные щели, не говоря уже о нагреве солнечным светом.

Что создает теплоизоляцию в металлических рамах?

Свободные электроны металла

В свою очередь металлы – самые лучшие проводники тепла из всех практически применяемых материалов. В них содержатся миллиарды свободно перемещающихся электронов (которые также создают отличную электропроводность металлов). Эти электроны выступают легкими посредниками, снующими во все стороны и отлично распределяющими внутреннюю энергию металла внутри него и передающие ее соприкасающимся сторонним телам (поэтому почти вся кухонная посуда для термической обработки – металлическая).

По этой же причине металлы при комнатной температуре кажутся значительно «холоднее» на ощупь, чем все прочие предметы. Дело в том, что все предметы обычно… действительно холоднее, чем человеческая кожа (температура в домах обычно 20-25°С, температура поверхности кожи – около 35–36°С – выше на 10-15 градусов!). При контакте с кожей металл проводит тепло из руки в комнату значительно лучше, чем пластик или дерево – и тем самым охлаждает ее быстрее при одинаковой температуре. Чтобы неметаллические предметы могли бы отбирать тепло с той же скоростью, им пришлось бы иметь значительно меньшую температуру. Этим объясняется возникающая иллюзия «более холодного» металла.

Терморазрыв

Поэтому, чтобы между помещением и улицей не было прямого контакта металла (мостика, который бы зимой эффективно отбирал тепло из помещения и рассеивал ее на улицу, а летом проводил бы жар снаружи в помещение) металлические рамы окон, дверей и любых конструкций, разделяющих улицу и помещение разделяют на две части (наружную и внутреннюю), скрепленные друг с другом через плотный жесткий пластик, который разрывает термическую связь внутри металла, не давая перемещаться электронам между внутренней и внешней частями рамы.

Такая вставка называется «терморазрыв» (или полностью – термический разрыв, температурный разрыв, тепловой разрыв).

Теплопроводность некоторых веществ

Сравнение теплопроводностей
МатериалТеплопроводность,
Вт/(м•K)
Металлы
Серебро430
Медь400
Золото320
Алюминий200—240
Латунь
(Медь с примесями цинка, олова, никеля, свинца, железа и т.д.)
100—110
Железо92
Сталь
(Железо с углеродом и другими примесями)
47
Свинец35,3
Неметаллические вещества
Стекло1-1,15
Вода
(при нормальных условиях)
0,6
Кирпич0,2—0,7
Пенобетон0,05—0,3
Древесина0,15
Поливинилхлорид (ПВХ)0,10 - 0,15
Пенопласт0,05
Стекловата0,03-0,04
Газы
Воздух
(300 K, 100 кПа, на 99% состоит из азота и кислорода)
0,022
Кислород
(21% от состава воздуха)
0,0223
Азот
(78 % от состава воздуха)
0,0219
Аргон0,016
(-27% от воздуха)
Водяной пар0,0136
(-40% от воздуха)
Углекислый газ0,0133
(-40% от воздуха)
Вакуум
Вакуум (абсолютный)0 (строго)

Задать свой вопрос

Идёт отправка

Ваш вопрос:

Электронная почта:

  • Указанные контакты будут использованы исключительно для ответа на Ваши вопросы и никогда не будут публиковаться
  • Вопрос и ответ на него могут быть опубликован в разделе часто задаваемых вопросов без указания авторства вопроса

©AbavaNet, 2002-2010

О компании Продукция Услуги Правовая информация Карта сайта Контакты

AbavaTechnolohy  AbavaNet technology

(495) 921-79-91
abava@abava.net
загрузка...
English
Поддержка
Медиа
Поиск
Контакты