Коэффициенты теплопроводности различных материалов, таблица

Как грамотно подобрать утеплитель для стен?

Одним из основополагающих факторов является теплопроводность – данный показатель обозначает количество тепла, которое способно просочиться через толщу материала. Чем меньше будет значение, тем лучше удастся защитить строение от промерзания в зимний период, соответственно, расходы на отопление получатся значительно ниже. Еще один ключевой момент – паропроницаемость утеплителя. Здесь подразумевается возможность материала пропускать через себя частицы пара, не задерживая их либо в своей структуре, либо в самом помещении. Если паропроницаемость невысокая, то лишняя влага будет оставаться в стенах, что, в конечном счете приведет к возникновению плесени, грибка и прочих неприятных моментов, избавиться от которых не так-то просто.

Со временем некоторые материалы способны давать усадку, теряя форму или объем просто под собственным весом. Чтобы этого не происходило, придется обеспечивать более частые точки фиксации в процессе монтажа. При этом в продаже имеются материалы, которые допустимо устанавливать только в горизонтальном положении, например, во время утепления пола или потолка.

Важна также масса и плотность утеплителя, потому что от этих параметров напрямую зависят изоляционные качества. Значение плотности обычно колеблется в пределах от 11 до 220 кг/куб.м. Чем больше показатель, тем лучше, однако с увеличением плотности возрастает и масса материала – необходимо, чтобы несущие конструкции выдерживали дополнительный вес.

Не исключено, что в процессе эксплуатации утеплитель будет подвергаться непосредственному воздействию влаги. Если нет уверенности в том, что подобного не случиться, нужно приобретать продукцию с минимальной гигроскопичностью – она не пропускает через себя влагу, не деформируется под ее воздействием. В зависимости от климатических условий подбирают и диапазон рабочих температур, который может находиться в пределах от -180 до +1000 градусов

Конечно же следует обращать внимание и на срок службы материала – у некоторых он составляет порядка 20 лет, а у других может достигать 70 лет. Если планируется утеплять помещение изнутри, то желательно проверить, чтобы продукция не выделяла в окружающую среду вредных или отравляющих веществ, способных негативно сказаться на здоровье человека

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.

Наименование материала	Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
	В сухом состоянии	При нормальной влажности	При повышенной влажности
Войлок шерстяной	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3	0,036	0,042	0,,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3	0,035	0,041	0,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3	0,036	0,042	0,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3	0,037	0,043	0,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м3	0,038	0,045	0,048
Стекловата 15 кг/м3	0,046	0,049	0,055
Стекловата 17 кг/м3	0,044	0,047	0,053
Стекловата 20 кг/м3	0,04	0,043	0,048
Стекловата 30 кг/м3	0,04	0,042	0,046
Стекловата 35 кг/м3	0,039	0,041	0,046
Стекловата 45 кг/м3	0,039	0,041	0,045
Стекловата 60 кг/м3	0,038	0,040	0,045
Стекловата 75 кг/м3	0,04	0,042	0,047
Стекловата 85 кг/м3	0,044	0,046	0,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС)	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)	0,029	0,030	0,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3	0,14	0,22	0,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3	0,11	0,14	0,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3	0,15	0,28	0,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3	0,13	0,22	0,28
Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м3	0,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м3	0,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м3	0,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м3	0,085-0,1
Пеноблок 100 — 120 кг/м3	0,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м3	0,05-0,062
Пеноблок 171 — 220 кг/м3	0,057-0,063
Пеноблок 221 — 270 кг/м3	0,073
Эковата	0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3	0,029	0,031	0,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3	0,035	0,036	0,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3	0,041	0,042	0,04
Пенополиэтилен сшитый	0,031-0,038
Вакуум
Воздух +27°C. 1 атм	0,026
Ксенон	0,0057
Аргон	0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels)	0,014-0,021
Шлаковата	0,05
Вермикулит	0,064-0,074
Вспененный каучук	0,033
Пробка листы 220 кг/м3	0,035
Пробка листы 260 кг/м3	0,05
Базальтовые маты, холсты	0,03-0,04
Пакля	0,05
Перлит, 200 кг/м3	0,05
Перлит вспученный, 100 кг/м3	0,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3	0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3	0,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м3	0,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3	0,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3	0,078
Пробка техническая, 50 кг/м3	0,037

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

Теплопроводность понятие и теория

Теплопроводность представляет собой процесс перемещения тепловой энергии от прогретых частей к холодным. Обменные процессы происходят до полного равновесия температурного значения.

Комфортный микроклимат в доме зависит от качественной теплоизоляции всех поверхностей

Процесс теплопередачи характеризуется промежутком времени, в течение которого выравниваются температурные значения. Чем больше времени проходит, тем ниже теплопроводность строительных материалов, свойства которых отображает таблица. Для определения данного показателя применяется такое понятие как коэффициент теплопроводности. Он определяет, какое количество тепловой энергии проходит через единицу площади определенной поверхности. Чем данный показатель больше, тем с большей скоростью будет остывать здание. Таблица теплопроводности нужна при проектировании защиты постройки от теплопотерь. При этом можно снизить эксплуатационный бюджет.

Потери тепла на разных участках постройки будут отличаться

Физические свойства

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, оно имеет четыре кристаллические модификации:

• до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа);
• в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмно-центрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;
• в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой;
• выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмно-центрированной кубической решёткой.

Металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу, и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ≈ 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком — происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

• от абсолютного нуля до 910 °C устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой;
• от 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой;
• от 1400 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо—углерод). Твёрдый раствор углерода в α- и δ-железе называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

В области высоких давлений (свыше 13 ГПа, 128,3 тыс. атм.) возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α—γ переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали

Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо относится к умеренно тугоплавким металлам. В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит до водорода и легко реагирует с разбавленными кислотами. Таким образом, железо относится к металлам средней активности.

Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — 2862 °C.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации

Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

В таблице приведена плотность железа d, а также значения его удельной теплоемкости C_p, температуропроводности a, коэффициента теплопроводности λ, удельного электрического сопротивления ρ, функции Лоренца L/L при различных температурах — в диапазоне от 100 до 2000 К.

Свойства железа существенно зависят от температуры: при нагревании этого металла его плотность, теплопроводность и температуропроводность уменьшаются, а значение удельной теплоемкости железа растет.

Плотность железа равна 7870 кг/м 3 при комнатной температуре. При нагревании железа его плотность снижается. Поскольку железо является основным элементом в составе стали, то плотность железа определяет и значение плотности стали. Зависимость плотности железа от температуры слабая — при его нагревании плотность металла снижается и принимает минимальное значение 7040 кг/м 3 при температуре плавления, равной 1810 К или 1537°С.

Удельная теплоемкость железа, по данным таблицы, имеет значение 450 Дж/(кг·град) при температуре 27°С. В зависимости от структуры удельная теплоемкость твердого железа при увеличении температуры изменяется по-разному. По значениям в таблице видны характерный максимум теплоемкости железа вблизи T_c и скачки при структурных переходах и при плавлении.

В расплавленном состоянии свойства железа претерпевают изменения. Так, плотность жидкого железа уменьшается и становиться равной 7040 кг/м 3 . Удельная теплоемкость железа в расплавленном состоянии имеет величину 835 Дж/(кг·град), а теплопроводность железа снижается до значения 39 Вт/(м·град). При этом удельное электрическое сопротивление этого металла увеличивается и при 2000 К принимает значение 138·10 -8 Ом·м.

Теплопроводность железа при комнатной температуре равна 80 Вт/(м·град). С ростом температуры теплопроводность железа снижается — она имеет отрицательный температурный коэффициент в области температуры 100-1042 К, а затем начинает слабо расти. Минимальное значение теплопроводности железа составляет 25,4 Вт/(м·град) вблизи точки Кюри. При β-γ переходе наблюдается слабое изменение теплопроводности, которое также имеет место и при γ-δ переходе.

Теплопроводность железа резко падает по мере увеличения количества примесей, особенно кремния и серы. Наивысшей теплопроводностью обладает очень чистое электролитическое железо — его теплопроводность при 27°С равна 95 Вт/(м·град).

Зависимость коэффициента теплопроводности железа от температуры также определяется степенью чистоты этого металла. Чем железо чище, тем выше его теплопроводность и тем больше по абсолютной величине она снижается с повышением температуры.

«>

Понятие коэффициента теплопроводности

Для обозначения рассматриваемого значения применяется символ λ — количество тепла, которое передается в единицу времени через единицу поверхности на момент повышения температуры. Это значение применяется при проведении различных расчетов.

Описание свойства теплопроводности многих металлов проводится по формуле k = 2,5·10−8σT. В этой формуле учитывается:

1. Температура, измеряемая в Кельвинах.
2. Показатель электропроводности.

Это соотношение больше всего подходит для определения свойств проводников на момент эксплуатации при нагреве, но в последнее время применяется и для измерения степени проводимости тепловой энергии.

Полупроводники и изоляторы обладают более низкими показателями проводимости тепла, что связано с особенностями строения их кристаллической решетки.

отсюда

В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.

Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда. Читать далее →

Какой же все таки поставить радиатор? Я думаю каждый из нас задавался таким же вопросом придя на рынок или в магазин запчастей, осматривая огромный выбор радиаторов на любой вкус, удовлетворяющий даже самого извращенного привереды. Хочешь двух рядный, трех рядный, побольше, поменьше, с крупной секцией с мелкой, алюминиевый, медный. Вот именно из какого металла изготовлен радиатор и пойдет речь.

Одни считают, что медь. Это своеобразные староверы, так бы назвали их в XVII веке. Да, если взять не новые автомобили XX века, то тогда повсеместно устанавливались медные радиаторы. Не зависимо от марки и модели, была ли это бюджетная микролитражка или тяжеловесный многотонный грузовик. Но есть и другая армия автовладельцев утверждая что радиаторы изготовленные из алюминия лучше медных. Потому как их устанавливают на новые современные автомобили, на сверхмощные двигатели требующие качественного охлаждения.

И что самое интересное они все правы. И у тех и у других есть свои плюсы и естественно минусы. А теперь небольшой урок физики. Самым отличным показателем, на мой взгляд, являются цифры, а именно коэффициент теплопроводности. Если сказать по простому то это способность вещества передавать тепловую энергию от одного вещества другому. Т.е. у нас имеется ОЖ, радиатор из N-ного металла и окружающая среда. Теоретически чем выше коэффициент тем быстрее радиатор будет забирать тепловую энергию у ОЖ и быстрее отдавать в окружающую среду.

Итак, теплопроводность меди составляет 401 Вт/(м*К), а алюминия — от 202 до 236 Вт/(м*К). Но это в идеальных условиях. Казалось бы медь выиграла в данном споре, да это «+1» за медные радиаторы. Теперь кроме всего необходимо рассмотреть собственно конструкцию самих радиаторов.

Медные трубки в основе радиатора, так же медные ленты воздушного радиатора для передачи полученного тепла в окружающую среду. Крупные ячейки сот радиатора позволяют снизить потери скорости воздушного потока и позволяют прокачать большой объем воздуха за единицу времени. Слишком малая концентрация ленточной части радиатора снижает эффективность теплопередачи и увеличивает концентрацию и силу локального нагрева радиатора.

Я нашел два вида радиаторов в основе которых лежат алюминиевые и стальные трубки. Вот еще не маловажная часть, т.к. коэффициент теплопроводности стали очень мал по сравнению с алюминием, всего лишь 47 Вт/(м*К). И собственно только из-за высокой разности показателей, уже не стоит устанавливать алюминиевые радиаторы со стальными трубками. Хотя они прочнее чистокровных алюмишек и снижают риски протечки от высокого давления, например при заклинившем клапане в крышке расширительного бачка. Высокая концентрация алюминиевых пластин на трубках увеличивает площадь радиатора обдуваемого воздухом тем самым увеличивая его эффективность, но при этом увеличивается сопротивление воздушного потока и снижается объем прокачиваемого воздуха.

Ценовая политика же на рынке сложилась таким образом что медные радиаторы значительно дороже алюминиевых. Из общей картины можно сделать вывод что и те и другие радиаторы по своему хороши. Какой же все таки выбрать? Этот вопрос остается за вами.

Теплопроводность пенополистирола в сравнении

Если сравнить пенопласт со многими другими строительными материалами, можно сделать колоссальные выводы.

Показатель теплопроводности пенопласта оставляет от 0,028 до 0,034 ватта на метр/Кельвин. Если плотность увеличивается, теплоизоляционные свойства экструзионного пенополистирола без графитовых добавок уменьшаются.

Слой экструзионного пенопласта в 2 см способен удержать тепло, как слой минеральной ваты в 3,8 см, как обычный пенопласт, слоем 3 см или как деревянная доска, толщина которой составляет 20 см. Для кирпича эти способности приравниваются к толщине стенки в 37 см. Для пенобетона – 27 см.

Конструкционные материалы и их теплопроводность

Теплопроводность вещества зависит от его плотности. Чем больше плотность вещества, тем выше теплопроводность. С увеличением пористости понижается ее коэффициент.

Низкий коэффициент теплопроводности материала определяет его хорошие теплоизоляционные качества.

Бетон

• Плотность: 500 кг/м³–2 500 кг/м³. Показатель зависит от состава смеси.
• Теплопроводность: 1,28–1,51 Вт/м*К. Показатель меняется в зависимости от консистенции бетона.

Бетонная смесь используется для заливки монолитного фундамента, а бетонные блоки – для закладки фундамента и возведения стен.

Железобетон

• Плотность: 2 500 кг/м3; бетонная смесь без вибрирования (применения глубинного вибратора) – 2 400 кг/м3.
• Теплопроводность: 1,69 Вт/м*К.

Лёгкий бетон на пористых заполнителях называют ячеистым бетоном.

Используют в качестве конструкционного и теплоизоляционного материала. Самые распространённые строительные материалы из бетона на пористых заполнителях — газобетон, пенобетон, керамзитобетон.

Данные материалы применяются для возведения многоэтажных, частных домов и для дополнительных пристроек: бань, гаражей, сараев.

Керамзитобетон

Полнотелые керамзитобетонные блоки производятся с помощью вибропрессования. Не имеют пустот и отверстий. Часто используются для кладки несущих стен или закладки фундамента.

Пустотелые керамзитобетонные блоки делают с применением специальных форм, позволяющих при заливке смеси сформировать герметичные или сквозные пустоты.

Обладают меньшей прочностью по сравнению с полнотелыми керамзитобетонными блоками. Имеют меньшую теплопроводность, что делает их оптимальным материалом для возведения нетяжёлых конструкций с требуемой высокой теплоизоляцией.

• Плотность: 500 кг/м³–1 800 кг/м³.
• Теплопроводность: 0,14–0,66 Вт/м*К.

Газобетон

Изготавливается из газосиликата. С помощью специализированных газообразователей внутри блока формируют приблизительно сферические поры (пустоты), их диаметр 1–3 мм.

• Плотность: 300–800 кг/м3. Зависит от количества и размера пустот.
• Теплопроводность: 0,1–0,3 Вт/м*К.

Пенобетон

Изготавливается с применением пенообразующих добавок. Имеет пористую структуру.

• Плотность: 600–1 000 кг/м3.
• Теплопроводность: 0,1–0,38 Вт/м*К.

Изготавливается из глины и наполнителя.

• Плотность: 500 кг/м³–1 900 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,1–0,4 Вт/м*К.

Керамический кирпич

Изготавливается из обожжённой глины.

• Плотность: полнотелый – 1 600 кг/м³–1 900 кг/м³; пустотелый – 1 100 кг/м³–1 400 кг/м³;
• Теплопроводность: полнотелый – 0,56–0,86 Вт/м*К; пустотелый–0,35–0,41 Вт/м*К.

Изготавливается из песка и извести.

• Плотность: 1 100 кг/м³–1 900 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,81–0,87 Вт/м*К.

Дерево

• Плотность: 150 кг/м³–2 100 кг/м³;
• Теплопроводность: 0,2–0,23 Вт/м*К.

Строительные конструкционные материалы, даже с низкой теплопроводностью, нуждаются в дополнительном утеплении.

Или почитайте ЗДЕСЬ о несъемной опалубке из пенополистирола.

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

Медь имеет гораздо большую стоимость, чем алюминий или латунь. Но между тем этот материал имеет ряд недостатков, которые связаны с его положительными сторонами. Высокая теплопроводность этого металла вынуждает к созданию специальных условий для его обработки. То есть медные заготовки необходимо нагревать более точно, нежели сталь. Кроме этого часто, перед началом обработки предварительный или сопутствующий нагрев. Нельзя забывать о том, что трубы, изготовленные из меди, подразумевают то, что будет проведена тщательная теплоизоляция. Особенно это актуально для тех случаев, когда из этих труб собрана система подачи отопления. Это значительно удорожает стоимость выполнения монтажных работ. Определенные сложности возникают и при использовании газовой сварки. Для выполнения работе требуется более мощный инструмент. Иногда, для обработки меди толщиной в 8 – 10 мм может потребоваться использование двух, а то и трех горелок. При этом одной из них выполняют сварку медной трубы, а остальные заняты ее подогревом. Ко всему прочему работа с медью требует большего количества расходных материалов.

Работа с медью требует использования и специализированного инструмента. Например, при резке деталей, выполненных из бронзы или латуни толщиной в 150 мм потребуется резак, который может работать с сталью с большим количеством хром. Если его использовать для обработки меди, то предельная толщина не будет превышать 50 мм.

Можно ли повысить теплопроводность меди

Не так давно, группа западных ученых провела ряд исследований по повышению теплопроводности меди и ее сплавов. Для работы они применяли пленки, выполненные из меди, с нанесенным на ее поверхность тонким слоем графена. Для его нанесения использовали технологию его осаждения из газа. При проведении исследований применялось множество приборов, которые были призваны подтвердить объективность полученных результатов. Результаты исследований показали то, что графен обладает одним из самых высоких показателей теплопроводности. После того, как его нанесли на медную подложку, теплопроводность несколько упала. Но, при проведении этого процесса происходит нагревание меди и в ней происходит увеличение зерен, и в результате повышается проходимость электронов.

Графен с медной фольгой

При нагревании меди, но без нанесения этого материала, зерна сохранили свой размер. Одно из назначений меди это отведение лишнего тепла из электронных и электрических схем. Использование графенового напыления эта задача будет решаться значительно эффективнее.

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала

Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

Среди большого количества параметров, характеризующие металлы существует и такое понятие как теплопроводность. Ее значение сложно переоценить. Этот параметр применяют при расчете деталей и узлов. Например, шестеренчатых передач. Вообще теплопроводностью занимается целый раздел науки под названием термодинамика.

Сравнительный анализ основных технических характеристик базальтовой ваты и пенополистирола

Огнестойкость

По сравнению с пенополистиролом базальтовая вата обладает более высокой огнестойкостью. Волокна базальтовой ваты спекаются при температуре около 1500 градусов. Однако максимально допустимая температура использования этого теплоизоляционного материала в виде матов и плит ограничивается из-за связующих веществ, которые были использованы при формировании готовых изделий.  При температуре около 600 градусов связующие вещества разрушаются, а базальтовая плита или мат теряет свою целостность. Необходимо отметить, что пенопостирол без каких-либо последствий может выдержать  температуру, которая не превышает 75 градусов. 

Горючесть

Не меньшее значение имеют и такой показатель, как горючесть — способность материала к горению. Современные строительные материалы принято подразделять на:

• негорючие (НГ) — способны выдержать воздействие очень высоких температур без воспламенения, потери прочности, деформации структуры и изменения других свойств. 
• горючие (Г) — степень горючести определяется по таким показателям, как воспламеняемость, дымообразующая способность, распространение пламени, токсичность. 

При этом важно отметить, что если материалы класса НГ являются не только полностью пожаробезопасными, но и препятствуют распространению огня, то материалы класс Г представляют пожарную опасность всегда. 

Горючесть базальтовой ваты, в основе которой лежат неорганические материалы, которые по своей природе не могут гореть, определяется в зависимости от количества используемых при производстве утеплителя органических связующих веществ. Качественная базальтовая вата (например, торговой марки «Белтеп») содержит не более 4,5% связующих веществ, поэтому ей присваивается группа НГ. В случае более высокого содержания органических веществ группа горючесть базальтовой ваты меняется до группы Г1 (слабо горючие материалы) или Г2 (умеренно горючие материалы). 

Пенополистирол, независимо от вида материала, всегда относится к классу Г. При этом группа горючести этого теплоизоляционного материала может меняться от Г1 (слабо горючий материал) до Г4 (сильно горючий материал). 

Водопоглощение

Базальтовая вата обладает открытой пористостью, поэтому способна впитывать  влагу (до 2% по объему, и до 20% по массе). А поскольку вода является превосходным проводником тепла, при попадании влаги теплоизоляционные характеристики базальтовой ваты значительно ухудшаются (вплоть до полной непригодности). И хотя производители обрабатывают базальтовую вату гидрофобизирующими добавками, которые препятствуют впитыванию влаги, специалисты рекомендуют надежно защищать этот теплоизоляционный материал от воздействия влаги паро- и гидроизоляционными барьерами. 

В отличие от базальтовой ваты пенополистирол обладает закрытой замкнутой пористостью, поэтому характеризуется высоким сопротивлением капиллярному водопоглощению (до 0,4% по объему) и диффузии водяных паров.

Прочность

Под прочностными характеристиками подразумеваются такие показатели, как прочность материала на отрыв слоев, сжатие при 10% деформации, сдвиг/срез, изгиб и т.д. 

У базальтовой ваты прочностные характеристики зависят от плотности материала и количества связующих веществ. У пенополистирола эти показатели зависят исключительно от плотности материала. При этом пенополистирол характеризуется более высокими показателями прочности на сжатие при 10% деформации, чем базальтовая вата с меньшей плотностью (например, прочность на сжатие при 10% деформации пенополистирола плотностью 35-45 кг/м3 составляет около 0,25-0,50 МПа, в то время как у базальтовой ваты плотностью 80-190 кг/м3 этот показатель колеблется в пределах 0,15-0,70 МПа). Отметим, что у базальтовой ваты плотностью 11-70 кг/м3 измеряются не прочностные характеристики, а значение сжимаемости под нагрузкой 2000 Па. 

Теплопроводность

Одним из важнейших показателей любого теплоизоляционного материала является его теплопроводность. Исследования показали, что оба рассматриваемых нами материала имеют практически одинаковые показатели теплопроводности: у базальтовой ваты — 0,033-0,043 Вт/м•°C, у пенополистирола — 0,028-0,040 Вт/м•°C. Отметим, притом, что наименьший показатель теплопроводности имеет воздух (0,026 Вт/м•°C), и один, и второй теплоизоляционный материал является эффективным утеплителем. 

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.