Проект "Теплопроводность материалов"
проект

Департамент образования и науки

Ханты-Мансийского автономного округа - Югры

Б Ю Д Ж Е Т Н О Е   У Ч Р Е Ж Д Е Н И Е

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ

«Ю Г О Р С К И Й   П О Л И Т Е Х Н И Ч Е С К И Й   К О Л Л Е Д Ж»

(БУ «ЮГОРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»)

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Специальность 23.02.07  Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей

Учебная дисциплина: Физика

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В МЕСТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Автор

Купцов Сергей Юрьевич                                             курс     1    гр.   ЭМ-22-1

Руководитель

Инна Николаевна Кулаева

К защите                                                                    Защита принята с оценкой

_______________________

«____» ____________20___ г.                            «____» ____________20___ г.

Подпись________________                                 Подпись_________________

г. Югорск, 2024

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        3

1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ        5

1.1 Традиционные требования к дому для постоянного проживания        5

1.2 Основные теплоизоляционные свойства материалов        6

1.3 Материалы для строительства        7

2. РАСЧЕТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ        8

2.1 Анализ теплоизоляционных свойств материалов        8

2.2. Исследование теплопроводности газов        12

2.3 Исследование теплопроводности жидкости.        12

2.4 Исследование теплопроводности твёрдых тел.        13

  2.4.1 Определение коэффициента температуропроводности различных видов стекла и других материалов.        14

  2.4.2. Определение коэффициента температуропроводности различных строительных материалов.        15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        17

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ        18

ВВЕДЕНИЕ

Строительные материалы и изделия являются неотъемлемой и очень весомой составляющей любого строительства.

Если заглянуть в далекое прошлое и попытаться представить из каких материалов мог построить себе жилище древний человек, то окажется, что выбор его очень скромен: камни, глина, дерево, шкуры животных. Сегодня эти материалы тоже не потеряли своей актуальности; их называют природные.

Однако возможности современного строителя несоизмеримо выше:

ассортимент материалов и изделий, предназначенных для строительства, насчитывает десятки и сотни наименований. Они могут служить для различных целей, другими словами, иметь разное назначение, например, для возведения несущих и ограждающих конструкций, для повышения эстетических и специальных свойств зданий.

Для того чтобы строить различного вида постройки необходимо обязательно знать теплопроводность утеплителей и строительных материалов, чтобы в итоге получить то, что планировалось.

Теплопроводность стен зависит от материалов, из которых эти стены состоят.  Использование теплоизоляционных материалов и в примышленном и в гражданском строительстве не только удешевляет, но и увеличивает полезную площадь помещений, повышает их огнестойкость и звуконепроницаемость, поэтому цель работы: Изучить теплопроводность строительных материалов, используемых в местном строительстве.

Всё выше обозначенное помогло выделить предмет: материалы, используемые при строительстве домов и объект исследования: теплоизоляционные свойства строительных материалов.

Для решения поставленных задач, нами были отобраны следующие методы: информационно – аналитический,  синтез, сравнение, обобщение,  экспериментальный.

На основе вышеперечисленного, мы выдвигаем гипотезу: Теплоизоляционные свойства строительных материалов изменяются в зависимости от рода вещества.

Исследовательская составляющая работы состоит в изучение, проверке и последующем сравнении теплоизоляционных свойств традиционных строительных материалов для нашего округа.

1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Каждый человек мечтает иметь свой дом. Он должен быть достаточно надежным, с идеальным микроклиматом внутри, не требовать особых условий в эксплуатации. Материалы и технология строительства должны быть такими, чтобы не заниматься мелким и крупным ремонтом каждый сезон.

1.1 Традиционные требования к дому для постоянного проживания

• Здание должно быть достаточно прочным, теплым и прослужить не одно десятилетие;
• Внутри должен быть налажен идеальный для жизни микроклимат с постоянными показателями температуры и влажности;
• Стены должны обладать хорошей шумоизоляцией;
• В наших широтах, стены должны отличаться морозостойкостью;
• Важна и влагонепроницаемость объекта, что убережет жилище от лишней сырости. [4]

При подготовке к строительству важно учитывать все критерии, но в нашей местности, где зимы холодные, дом должен быть в первую очередь теплым. Количество тепла, необходимого для отопления дома, напрямую зависит от тепловых потерь здания. То есть чем больше тепла теряется через ограждающие поверхности, тем больше нужно энергии для отопления здания. Если на этапе проектирования и строительства дома предусмотреть хорошую теплоизоляцию, а также установить герметичные окна, заполнить щели в дверных проемах, отапливать дом впоследствии будет намного проще.

Для того, чтобы успешно решить задачу, поставленную при создании и возведении здания, необходимо, не только учитывать «теплопроводность» стен, но, и чтобы выбранные теплоизоляционные материалы отвечали определенным требованиям. Основной характеристикой материала стен и теплоизоляции служит теплопроводность:

Теплопроводность зависит от удельной теплоемкости «c» и определяется по формуле: Q=m*c*(t2-t1). [3]

Посредством этого вида теплообмена происходит передача теплоты через стенку дома в зимнее время. Так как температура внутри дома выше, чем вне его, наиболее интенсивное тепловое колебательное движение совершают частицы, образующие внутреннюю поверхность стенки. Сталкиваясь с частицами соседнего более холодного слоя, они передают им часть энергии, в результате чего движение частиц этого слоя, оставаясь колебательным, становится более интенсивным. Так от слоя к слою растет интенсивность колебаний частиц, а, следовательно, и их внутренняя энергия. Таким образом, при теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомом, электронов), обладающих большей энергией, к частицам с меньшей энергией.

C помощью теплопроводности теплота может передаваться в твердых, жидких и газообразных телах. Самой большой теплопроводностью обладают металлы. Это объясняется тем, что переносчиками внутренней энергии здесь, кроме молекул, являются свободные электроны. Хуже проводят тепло дерево, стекло, животные и растительные ткани; еще меньшую теплопроводность имеют жидкости и газы. Так, воздух в тысячи раз хуже проводит тепло, чем железо, поэтому в строительстве используют пористые материалы. [6]

1.2 Основные теплоизоляционные свойства материалов

Для того, чтобы сравнить теплоизоляционные свойства материалов, нужно изучить материалы, используемые при строительстве домов. Однако перед этим остановимся на общих параметрах, которые влияют на теплопроводность любого строительного материала.

1. Пористость – наличие пор в структуре материала нарушает его однородность. При прохождении теплового потока часть энергии передается через объем, занятый порами и заполненный воздухом. Соответственно, чем больший объем будет занят воздушными порами, тем меньше будет теплопроводность материала.
2. Структура пор – малый размер пор и их замкнутый характер способствуют снижению скорости теплового потока.
3. Плотность – при больших значениях частицы более тесно взаимодействуют друг с другом и в большей степени способствуют передаче тепловой энергии.
4. Влажность – при намокании стеновых конструкций или утеплителя происходит вытеснение сухого воздуха из пор и замещение его каплями жидкости или насыщенным влажным воздухом. Теплопроводность в этом случае значительно увеличится.

Влияние температуры на теплопроводность материала отражается через формулу: λ=λо*(1+b*t),

где, λо – коэффициент теплопроводности при температуре 0 °С, Вт/м*°С;

b – справочная величина температурного коэффициента;

t – температура. [2]

1.3 Материалы для строительства

Регулирование теплообмена является одной из основных задач в строительстве. В холодное время года теплота теряется помещением в силу теплопроводности стен и просачивания через них воздуха, уходит вместе с нагретым воздухом через вентиляционные каналы и щели. Чтобы температура в жилых и производственных помещениях соответствовала нормальным условиям жизни и деятельности человека, необходимо уменьшить эти потери. С этой целью стены домов делают из материалов с малой теплопроводностью — естественных или искусственных. [7]

Широкое распространение в настоящее время получили каркасные здания, на постройку которых требуется гораздо меньше материалов, чем для здания других типов. Основу каркасного здания составляет металлический или железобетонный каркас. На каркасе укрепляют стены из теплоизолирующих пористых материалов. [1] Поры таких материалов заполнены воздухом, поэтому они имеют сравнительно небольшой вес и плохо проводят тепло, так как теплопроводность воздуха очень мала, а конвекция воздуха в пористых материалах невозможна.

Все теплоизоляционные материалы подразделяются на несколько крупных групп:

Выпускаются утеплительные материалы в виде рулонов и мягких, полужестких и жестких матов и плит, разных по плотности и размерам. Все утеплительные материалы безопасны как для производства, так и для использования при соблюдении рекомендуемой технологии работы.

В нашем городе эти материалы уже применяются при строительстве новых зданий, а также для утепления уже возведенных строений. Причем данные материалы применяются как на крупных строительных площадках, так и при строительстве частных домов.

2. РАСЧЕТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1 Анализ теплоизоляционных свойств материалов

Чтобы провести эксперимент, мне понадобится сделать отверстие для градусника в материалах, используемых при строительстве домов. Исходя из возможностей моей экспериментальной деятельности, можно выявить два материала, которые я могу сравнить по всем параметрам.

1. Дерево - из этого материала можно построить срубовой дом.

2. Кирпич - из этого материала можно построить либо силикатный, либо керамический дом. (в зависимости от вида кирпича) [5]

1. Деревянная конструкция.

Для анализа теплоизоляционных свойств дерева был проведен эксперимент, задачей которого являлся контроль уличной температуры и температуры внутри деревянного короба.

Термометр был помещен в деревянную конструкцию и вынесен на воздух. Для того, чтобы предметы не засыпало снегом, я накрыл их полиэтиленовым пакетом, но это не повлияет на результат эксперимента, так как предметы не были обмотаны полиэтиленом.

Спустя 3 часа 30 минут показатели на термометрах являлись таковыми:

• Термометр, находящийся в коробе 3°C
• Термометр, находящийся на открытом воздухе -4°C

Спустя 5 часов 30 минут:

• Термометр, находящийся в коробе -8°C
• Термометр, находящийся на открытом воздухе -14°C

Спустя 9 часов 30 минут:

• Термометр, находящийся в коробе -13°C
• Термометр, находящийся на открытом воздухе -17°C

Таким образом, мы видим, что есть разница между температурой в деревянном коробе и температурой воздуха, следовательно, дерево сохраняет тепло.

1. Кирпичная конструкция.

Для анализа теплоизоляционных свойств кирпича был проведен аналогичный эксперимент.

Термометр был помещен внутрь кирпичной конструкции и вынесен на воздух. (Приложение №2)

Спустя 3 часа 30 минут:

• Термометр, находящийся в кирпиче 2°C
• Термометр, находящийся на открытом воздухе -1°C

Спустя 5 часов 30 минут:

• Термометр, находящийся в кирпиче -1°C
• Термометр, находящийся на открытом воздухе -3°C

Спустя 9 часов 30 минут:

• Термометр, находящийся в кирпиче -1°C
• Термометр, находящийся на открытом воздухе -4°C

Очевидно, что есть разница между температурой в кирпичной конструкции и температурой воздуха, следовательно, кирпич обладает теплоизоляционными свойствами.

Сведем полученные данные в «таблица 1»:

Таблица 1 - Температурный анализ

Мы видим, что дерево сохраняет тепло лучше, чем кирпич. Через 3,5 часа разница температур внутри деревянного короба и вне его составила 7 °C, через 5,5 часов - 6°C, а через 9,5 часов - 4 °C.

В кирпиче максимальная разница температуры воздуха и температуры составила 3°C, однако нужно сделать поправку на изменение температуры окружающего воздуха, т.к. эксперименты проводились при разных температурных условиях.

В результатах эксперимента присутствуют погрешности, связанные с тем, что и в одной и в другой конструкции был воздух, чьи теплоизоляционные свойства ниже, чем у дерева и кирпича. Но эти погрешности не кардинально влияют на результаты эксперимента, так как кирпич намного хуже держит тепло. Таким образом, строение из дерева дольше хранит тепло, что объясняется низкой теплопроводностью дерева.

Аналогично проведем эксперимент и для других материалов. Результаты представлены в «таблице 2»:

Таблица 2 - Температурный анализ

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.

Коэффициент теплопроводности - является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов определяется экспериментально с помощью различных методов. Большинство из них основано на измерении теплового потока и изменения температур в исследуемом веществе.

В школьных условиях сложно определить энергию, проходящую через поверхность. Поэтому в своей работе мы решили определить не энергию, а изменение температуры за единицу времени. Этот коэффициент называется коэффициентом температуропроводности.

Коэффициент температуропроводности «а» - служит мерой скорости, с которой пористая среда передает изменение температуры с одной точки в другую за единицу времени.

Для определения коэффициента мы собрали простую установку, штатив, держатель и термометр, держатель для образцов, лампа накаливания на 100 Вт, как источник нагрева.

2.2. Исследование теплопроводности газов

Цель: Определение коэффициента температуропроводности газов.

Как известно, газы - плохие проводники тепла. Из-за большого расстояния между молекулами, энергия долго переходит от молекулы к молекуле, т.е. время изменения температуры будет большим.

Условия эксперимента: мы взяли пробирку, снизу нагревали воздух в пробирке лампой накаливания, а термометром измерили температуру в пробирке. Начальная t термометра 20°C.

Температура около лампы 65°C.

Вывод: Воздух плохо проводит тепло, это доказывает вычисленный коэффициент температуропроводности = 0,8 °C/ мин.

Если мы оставляем небольшие промежутки воздуха между отделочными материалами стен, пола и т.д., то мы уменьшаем потери энергии.

2.3 Исследование теплопроводности жидкости.

Цель: Исследование теплопроводности различных жидкостей и определение их коэффициента температуропроводности.

Условия эксперимента: мы наливали воду, подсолнечное масло и спирт в пробирку, снизу нагревали лампой накаливания, а термометром измерили температуру в пробирке.

Внешние факторы, влияющие на данные эксперимента: температура окружающей среды.

Начальная t термометра 16°C, t около лампы 65°C.

Вывод: Вода обладает самой большой теплоёмкостью из данных жидкостей, т.е. затрачивает большую энергию при нагревании. Это объясняет результаты опыта: вода нагревается медленнее масла и спирта, поэтому её средний коэффициент температуропроводности наименьший и равен 2,6°C/ мин, у масла 3,7°C/ мин, у спирта 5,1°C/ мин.

Самым хорошим проводником тепла является спирт, имеющий наибольший коэффициент температуропроводности.

Вода является самым хорошим изолятором тепла.

2.4 Исследование теплопроводности твёрдых тел.

Воздух и вода плохо пропускают тепло, т.е. это хорошая теплозащита. Мы знаем примеры: озимые хлеба под снегом, шуба, многокамерные стеклопакеты окон и т.д. Но для теплоизоляции дома, квартиры используют твёрдые тела.

Именно твёрдые вещества – утеплители помогают сохранить тепло в доме.

2.4.1 Определение коэффициента температуропроводности различных видов стекла и других материалов.

Мы исследовали теплопроводность материалов, которые наиболее часто используются в строительстве.

Вывод: Самым низким коэффициентом температуропроводности из трёх видов стекла обладает, по нашим данным, простое стекло. Именно простое стекло используют в стеклопакетах для окон с целью теплоизоляции.

Популярные строительные материалы для отделки стен и пола – гипсокартон и ламинат имеют низкий коэффициент температуропроводности 1,4 °C/ мин и 1,2 °C/ мин, поэтому они неслучайно являются лидерами по теплоизоляции из всех исследуемых твёрдых материалов.

Оцинкованное железо, имеет коэффициентом температуропроводности = 1,0, это говорит о том, что при покрытии крыш этим материалом мы значительно можем уменьшить потери тепла из дома.

2.4.2. Определение коэффициента температуропроводности различных строительных материалов.

Для выполнения этого исследования, мы отправились в магазин стройматериалов «Алекс-строй». Нам любезно предоставили образцы современных теплоизоляционных материалов: минеральная вата, стекловата, джутовое волокно, изолон, пеноплекс.

Мы решили определить лучший изолятор тепла, соединяя эти образцы с гипсокартоном, который используют для выравнивания стен помещений. Соединяя гипсокартон с утеплителем можно получить эффективную теплозащиту своего дома.

Начальная t термометра=16°C, t около лампы =65°C.

Вывод: Из данных таблицы видно, что строительные утеплители существенно уменьшают коэффициент температуропроводности. Самый малый коэффициент температуропроводности 1,0 °C/ мин имеет сочетание гипсокартона с минеральной ватой или пеноплексом 1,1°C/ мин. Таким образом, самая эффективная теплозащита стен помещений будет изоляция с помощью мин. ваты или пеноплекса.

2.3.3. Определение наиболее выгодного теплоизолятора по цене за 1 кв. м

Вывод: Наиболее выгодным по цене является теплоизолятор -гипсокартон, но с учётом эффективности теплоизоляции лучше выбирать стекловату или пеноплекс, но пеноплекс дороже, но займёт меньше полезного места, а стекловата дешевле, но займет больше полезного места в доме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

          При огромных ценах на отопление каждый человек начинает задумываться о том, как сохранить тепло в доме.

         Чтобы оценить уровень теплоизоляции материалов  ввели новую величину - коэффициент температуропроводности, который вычисляли, измеряя время и температуру, секундомером и термометром.

         Вычислив, коэффициент температуропроводности   определили, что самые хорошие изоляторы тепла – это воздух и вода. Но для утепления домов используют твёрдые материалы. Современное производство предлагает многообразие утеплителей. Мы выбрали только часто встречающиеся теплоизоляторы в магазине стройматериалов.

        Наша гипотеза о том, что лучшие теплоизоляторы имеют низкий коэффициент температуропроводности, подтвердилась.

        Таким образом, актуальность темы сохранения тепла в доме привела нас к важным выводам, которые мы можем использовать в жизни. Мы убедились, что затраты на утеплители к строительным материалам окупаются в короткое время теплом и уютом в наших домах.

         Строительство домов, в рамках увеличивающейся численности населения, остается одной из животрепещущих тем.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Основная литература

1. Каркасный дом = Woodenl Houses: Фасады, планы, интерьеры: 25 современных коттеджей / ред. С. Экономов. - М.: Красивые дома пресс, 2007. - 172 с. [1]
2. Перышкин А.В. Физика [Текст] 8 класс: учебник для общеобразовательных учреждений / А. В. Перышкин. - М.: Дрофа, 2013. - 240 с.: ил [2]
3. Полежаев Ю. В., Юревич Ф. Б. Тепловая защита. Под ред. А. В. Лыкова. - М.: «Энергия», 1976. 392 с. с ил. [3]
4. Энциклопедия строительства дома В.И. Рыженко – Издательство: Оникс, 2008 г.- 688 с [4]

Электронные ресурсы

5. ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ / [Электронный ресурс]. URL: http://www.krivda.net/books/nefedov_a._v._gordeeva_v._i.-otechestvennye_poluprovodnikovye_pribory_i_ih_zarubezhnye_analogi._spravochnik_-_2.6._teplovyeparametry_16 [5]
6. Теплопотери зданий / [Электронный ресурс]. URL: http://www.vst-nn.ru [6]
7. Теплопроводность строительных материалов [Электронный ресурс] // [Инженерный справочник] / URL: http://www.dpva.info/ [7]