Полная таблица теплопроводности различных строительных материалов

Если задумано индивидуальное строительство

При возведении дома важно учитывать технические характеристики всех составляющих (материала для стен, кладочного раствора, будущего утепления, гидроизоляционных и пароотводящих плёнок, финишной отделки). Для понимания, какие стены наилучшим образом будут сохранять тепло, нужно проанализировать коэффициент теплопроводности не только материала для стен, но и строительного раствора, что видно из таблицы ниже:

Для понимания, какие стены наилучшим образом будут сохранять тепло, нужно проанализировать коэффициент теплопроводности не только материала для стен, но и строительного раствора, что видно из таблицы ниже:

Важно. Из приведённых в таблице данных видно, что у каждого строительного материала довольно большой разброс в показателях коэффициента теплопроводности.. Это связано с несколькими причинами:

Это связано с несколькими причинами:

• Плотность. Все утеплители выпускаются или укладываются (пеноизол, эковата) различной плотности. Чем ниже плотность (больше присутствует воздуха в теплоизоляционной структуре), тем ниже проводимость тепла. И, наоборот, у очень плотных утеплителей этот коэффициент выше.
• Вещество, из которого производят (основа). Например, кирпич бывает силикатным, керамическим, глиняным. От этого зависит и коэффициент теплопроводности.
• Количество пустот. Это касается кирпича (пустотелый и полнотелый) и теплоизоляции. Воздух – самый худший проводник тепла. Коэффициент его теплопроводимости – 0,026. Чем больше пустот, тем ниже этот показатель.

Строительный раствор хорошо проводит тепло, поэтому любые стены рекомендуется утеплять.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность – это процесс передачи энергии тепла от нагретых частей помещения к менее теплым. Такой обмен энергией будет происходить, пока температура не уравновесится. Применяя это правило к ограждающим системам дома, можно понять, что процесс теплопередачи определяется промежутком времени, за который происходит выравнивание температуры в комнатах с окружающей средой. Чем это время больше, тем теплопроводность материала, применяемого при строительстве, ниже.

Отсутствие теплоизоляции дома скажется на температуре воздуха внутри помещения

Для характеристики проводимости тепла материалами используют такое понятие, как коэффициент теплопроводности. Он показывает, какое количество тепла за одну единицу временного промежутка пройдет через одну единицу площади поверхности. Чем выше подобный показатель, тем сильнее теплообмен, значит, постройка будет остывать значительно быстрее. То есть при сооружении зданий, домов и прочих помещений необходимо использовать материалы, проводимость тепла которых минимальна.

Сравнительные характеристики теплопроводности и термического сопротивления стен, возведенных из кирпича и газобетонных блоков

Расчёт толщины утеплителя

существует нехитрая формула

R = p / k , где R -показатель теплосопротивления, p -толщина слоя, k – коэффициент.

Из этой формулы несложно выделить и формулу расчёта толщины слоя утеплителя для требуемого теплосопротивления. P = R * k . Значение теплосопротивление разное для каждого региона. Для этих значений тоже существует специальная таблица, где их и можно посмотреть при расчёте толщины утеплителя.

Теперь приведём примеры некоторых наиболее популярных утеплителей и их технических характеристик.

1. Гипсокартон. Гиспокартон является очень популярным строительным материалом и часто применяется для утепления стен изнутри. Имеет плотность от 500 до 900 кг/м3, коэффициент теплопроводности от 0,12 до 0,2 Вт/кг*С в зависимости от разновидности гипсокартона.
2. Стекловата. Довольно популярный утеплитель. Сейчас применяется значительно реже, чем раньше. Плотность стекловаты 15-45 кг / м3 а коэффициент – 0,38-0,46 Вт / кг*С 1.
3. Существует ещё большое количество различных утеплителей для дома, как применяемых, так и не очень. При выборе нужно иметь в виду свои экономические возможности и результаты расчёта по вышеприведённым формулам.

Коэффициент теплопроводности материалов.

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

Конвекция в атмосфере

Важность атмосферной конвекции велика, поскольку благодаря ней существуют такие явления, как ветры, циклоны, образование облаков, дожди и другие. Все эти процессы подчиняются физическим законам термодинамики

Среди процессов конвекции в атмосфере самым важным является круговорот воды. Здесь следует рассмотреть вопросы о том, что такое теплопроводность и теплоемкость воды. Под теплоемкостью воды понимается физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать 1 кг воды, чтобы ее температура увеличилась на один градус. Оно равно 4220 Дж.

Смотреть галерею

Круговорот воды осуществляется следующим образом: солнце нагревает воды Мирового океана, и часть воды испаряется в атмосферу. За счет процесса конвекции водяной пар поднимается на большую высоту, охлаждается, образуются облака и тучи, которые приводят к возникновению осадков в виде града или дождя.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:

\tau\frac{\partial\mathbf{q}}{\partial t}=-\left(\mathbf{q}+\varkappa\,\nabla T\right).

Если время релаксации \tau пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Основные характеристики утеплителей

Соотношение качества утеплителя, в зависимости от его толщины При выборе утеплителей нужно обращать внимание на разные факторы: тип сооружения, наличие воздействия высоких температур, открытого огня, характерный уровень влажности. Только после определения условий использования, а также уровня теплопроводности применяемых материалов для сооружения определенной части конструкции, нужно смотреть на характеристики конкретного утеплителя:

Теплопроводность. От этого показателя напрямую зависит качество проведенного утеплительного процесса, а также необходимое количество материала для обеспечения желаемого результата. Чем ниже теплопроводность, тем эффективнее использование утеплителя.
Влагопоглощение. Показатель особо важен при утеплении внешних частей конструкции, на которые может периодически воздействовать влага. К примеру, при утеплении фундамента в грунтах с высокими водами или повышенным уровнем содержания воды в своей структуре.
Толщина. Применение тонких утеплителей позволяет сохранить внутреннее пространство жилого сооружения, а также напрямую влияет на качество утепления.
Горючесть

Это свойство материалов особенно важно при использовании для понижения теплопроводной способности наземных частей сооружения жилых домов, а также зданий специального назначения. Качественная продукция отличается способностью к самозатуханию, не выделяет при воспламенении ядовитых веществ.
Термоустойчивость

Материал должен выдерживать критические температуры. К примеру, низкие температуры при наружном использовании.
Экологичность. Нужно прибегать к использованию материалов безопасных для человека. Требования к этому фактору может изменяться в зависимости от будущего назначения сооружения.
Звукоизоляция. Это дополнительное свойство утеплителей в некоторых ситуациях позволяет добиться хорошего уровня защиты помещения от шума, а также посторонних звуков.

Когда используется при сооружении определенной части конструкции материал с низкой теплопроводностью, то можно покупать самый дешевый утеплитель (если это позволят предварительные расчеты)

Важность конкретной характеристики напрямую зависит от условий использования и выделенного бюджета

Коэффициент теплопроводности.

Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному — интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.

Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло. Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас  в качестве материалов для утепления зданий  наибольшее распространение получили утеплители из минеральной ваты, и различных пенопластов. Набирает популярность новый материал с улучшенными теплоизоляционными качествами — Неопор.

Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда)  и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2., то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии. Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур  стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт. Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть здесь.

Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.

В строительных нормах и расчетах часто используется понятие «тепловое сопротивление материала». Это величина обратная теплопроводности.  Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см — 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.

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

Понятие теплопроводности

Теплопроводность – это такое физическое свойство материала, при которой тепловая энергия внутри тела переходит от самой горячей его части к более холодной. Значение показателя теплопроводности показывает степень потери тепла жилыми помещениями. Зависит от следующих факторов:

• плотности предмета: возрастает с её увеличением;
• структуры: к примеру, дерево с поперечными волокнами отличается большим термическим сопротивлением, чем с продольными;
• пористости: чем выше значение, тем меньше средняя плотность;
• характера пустот и пор: материалы с сообщающимися порами имеют большую теплопроводность, с закрытыми мелкозернистыми порами – меньшую;
• влажности: сухие предметы менее теплопроводны;
• температуры – теплообмен уменьшается с её увеличением;
• давления – показатель увеличивается с ростом давления.

Количественно оценить свойство предметов пропускать тепловую энергию можно посредством коэффициента теплопроводности

Очень важно сделать грамотный выбор строительных материалов, утеплителя для достижения наибольшего сопротивления теплопередачи. Просчёты или неразумная экономия в будущем могут привести к ухудшению микроклимата в помещении, сырости в здании, мокрым стенам, душным комнатам. А главное – к большим расходам на отопление

А главное – к большим расходам на отопление.

Для сравнения ниже представлена и веществ.

Таблица 1

Самые высокие значения имеют металлы, низкие – теплоизоляционные предметы.

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении изучения параметров теплопроводности надо помнить о том, что характеристики конкретного металла или его сплавов от метода его выработки. Например, параметры металла полученного с помощью литья могут существенно отличаться от характеристик материала изготовленного по методам порошковой металлургии. Свойства сырого металла коренным образом отличаются от того, который прошел через термическую обработку.

Термическая нестабильность, то есть преобразование отдельных свойств металла после воздействия высоких температур является общим для практически всех материалов. Как пример можно привести то, что металлы после длительного воздействия разных температур способны достичь разных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводности.

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и определенном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования по измельчению металла для проведения его исследований с применением способов термического анализа. Действительно, такое требование существует при проведении ряда исследований. Бывает и такое требование – как изготовление специальных пластин и многие другие.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В этом методе фиксируется переходная кривая температуры образца между его двумя стационарными состояниями. Этот процесс является следствием скачка тепловой мощности вводимой в испытуемый образец.

Такой метод можно назвать относительным. В нем используются испытуемый и сравнительный образцы.  Главное заключается в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность.  При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных параметров необходимо выдержать определенное количество времени.  Направление  изменения температуры и ее шаг должен быть подобран таким образом, что бы образец, предназначенный для испытаний, прогревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки сравняются  и отношение теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры.Иногда в процессе этих исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца.На один из образцов могут быть созданы дополнительные тепловые нагрузки в сравнении со вторым образцом.

Шаг 3: Что может быть утеплителем

Продолжаем наш разговор о теплопроводности утеплителей. Все тела, которые находятся рядом, стремятся уровнять температуру между собой. Дом или квартира, как объект, стремится уровнять температуру с улицей. Способны ли все строительные материалы быть утеплителями? Нет. Например, бетон пропускает тепловой поток из вашего дома на улицу слишком быстро, поэтому нагревательное оборудование не будет успевать поддерживать нужный температурный режим в помещении. Коэффициент теплопроводности для утеплителя рассчитывается по формуле:

Где W это наш тепловой поток, а м2 — площадь утеплителя при разнице температур в один Кельвин (Он равен одному градусу Цельсия). У нашего бетона данный коэффициент составляет 1,5. Это значит, что условно, один квадратный метр бетона при разнице температур в один градус Цельсия способен пропустить 1,5 вата тепловой энергии в секунду. Но, существуют материалы с коэффициентом в 0,023. Ясно, что такие материалы куда лучше подходят на роль утеплителей. Вы спросите, не играет ли значение толщина? Играет. Но, здесь все равно нельзя забыть про коэффициент теплопередачи. Чтобы добиться одинаковых результатов понадобится бетонная стена толщиной 3,2 м или лист пенопласта толщиной 0,1 м. Ясно, что хотя бетон и может формально быть утеплителем, экономически это нецелесообразно. Поэтому:

Лучший теплоизолятор — это воздух. Поэтому задача любого утеплителя создание фиксированной воздушной прослойки без конвекции (перемещения) воздуха внутри нее. Именно поэтому, например, пенопласт на 98% состоит из воздуха. Самыми распространёнными утепляющими материалам считаются:

• Пенопласт;
• Экструдированный пенополистирол;
• Минвата;
• Пенофол;
• Пеноизол;
• Пеностекло;
• Пенополиуретан (ППУ);
• Эковата (целлюлоза);

Теплоизоляционные свойства  всех перечисленных выше материалов лежат близко к данным пределам. Также стоит учесть: чем выше плотность материала, тем больше он проводит через себя энергии. Помните из теории? Чем ближе молекулы, тем эффективнее проводится тепло.

Обзор гигроскопичности теплоизоляции

Высокая гигроскопичность – это недостаток, который нужно устранять.

Гигроскопичность – способность материала впитывать влагу, измеряется в процентах от собственного веса утеплителя. Гигроскопичность можно назвать слабой стороной теплоизоляции и чем выше это значение, тем серьезнее потребуются меры для ее нейтрализации. Дело в том, что вода, попадая в структуру материала, снижает эффективность утеплителя. Сравнение гигроскопичности самых распространенных теплоизоляционных материалов в гражданской строительстве:

Сравнение гигроскопичности утеплителей для дома показало высокое влагопоглощение пеноизола, при этом данная теплоизоляция обладает способностью распределять и выводить влагу. Благодаря этому, даже намокнув на 30%, коэффициент теплопроводности не уменьшается. Несмотря на то, что у минеральной ваты процент поглощения влаги низкий, она особенно нуждается в защите. Напитав воды, она удерживает ее, не давая выходить наружу. При этом способность предотвращать теплопотери катастрофически снижается.

Чтобы исключить попадание влаги в минвату используют пароизоляционные пленки и диффузионные мембраны. В основном полимеры устойчивы к длительному воздействию влаги, за исключением обычного пенополистирола, он быстро разрушается

В любом случае вода ни одному теплоизоляционному материалу на пользу не пошла, поэтому крайне важно исключить или минимизировать их контакт

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q→=−ϰgrad(T),{\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}

где q→{\displaystyle {\vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{\displaystyle \varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{\displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=−ϰSΔTl,{\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} [Вт/(м·К) · (м2·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

где P{\displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S{\displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{\displaystyle \Delta T} — перепад температур граней, l{\displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ{\displaystyle \varkappa } с удельной электрической проводимостью σ{\displaystyle \sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰσ=π23(ke)2T,{\displaystyle {\frac {\varkappa }{\sigma }}={\frac {\pi ^{2}}{3}}\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}T,}

где k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана;

e{\displaystyle e} — заряд электрона;

T{\displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

ϰ∼13ρcvλv¯,{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ{\displaystyle \rho } — плотность газа, cv{\displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ{\displaystyle \lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯{\displaystyle {\bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

ϰ=ik3π32d2RTμ,{\displaystyle \varkappa ={\frac {ik}{3\pi ^{3/2}d^{2}}}{\sqrt {\frac {RT}{\mu }}},}

где i{\displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5{\displaystyle i=5}, для одноатомного i=3{\displaystyle i=3}), k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ{\displaystyle \mu } — молярная масса, T{\displaystyle T} — абсолютная температура, d{\displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R{\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}l{\bar {v}}\propto P}, где l{\displaystyle l} — размер сосуда, P{\displaystyle P} — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Применение показателя теплопроводности на практике

В строительстве все материалы условно подразделяются на теплоизоляционные и конструкционные. Конструкционное сырье отличается наибольшими показателями теплопроводности, но именно его применяют для постройки стен, перекрытий, прочих ограждений. Согласно таблице теплопроводности строительных материалов, при возведении стен из железобетона, для низкого теплообмена с окружающей средой толщина конструкции должна быть около 6 метров. В таком случае строение получится огромным, громоздким и потребует немалых затрат.

Наглядный пример — при какой толщине различных материалов их коэффициент теплопроводности будет одинаковым

Поэтому при возведении постройки следует отдельное внимание уделять дополнительным теплоизолирующим материалам. Слой теплоизоляции может не понадобиться только для построек из дерева или пенобетона, но даже при использовании подобного низкопроводного сырья толщина конструкции должна быть не менее 50 см