Теплофизические свойства

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Теплоемкость стекол различного химического состава колеблется от 0,3 до 1,05 кДж/(кг·К). С повышением температуры до tg теплоемкость увеличивается незначительно, в интервале tg — tf быстро возрастает. С увеличением содержания щелочных оксидов теплоемкость растет, с увеличением содержания РbО и ВаО - уменьшается.

Теплопроводность характеризует способность вещества проводить тепло в градиентном температурном поле. Стекло малотеплопроводное. Теплопроводность стекла характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, который для различных силикатных стекол колеблется от 0,7 до 1,З Вт/(м·К). Наибольшую теплопроводность имеет различное кварцевое стекло. Обычное натрий-кальций-силикатное стекло (оконное) имеет λ = 0,97 Вт/(м·К). С повышением температуры теплопроводность увеличивается и при нагревании выше tg примерно удваивается. Коэффициент теплопроводности зависит от химического состава стекла и может быть рассчитан по формуле аддитивности.

Термическое расширение тел. Нагревание тела при постоянном объеме вызывает увеличение линейных размеров и объема. Термическое расширение характеризуется объемным и линейным коэффициентами температурного расширения. Истинные значения определяют как дифференциальные величины, учитывающие приращение размеров тела при повышении температуры:

где V0 и l0 – начальные объём и длина тела.

На практике пользуются средними значениями и , вычисленными в некотором интервале температур ?t=0…100; 100…200°C и т.д.:

Экспериментально проще определять температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), чем объемный. Поскольку стекло является изотропным телом, то с хорошим приближением объемный коэффициент выражается через линейный: β≈3α.

Влияние состава стекла на ТКЛР. Для силикатных стекол минимальное значение ТКЛР в интервале 0...1000°С характерно для кварцевого стекла: α = 5х10-7 оС-1. Для щелочно-силикатных стекол при повышении концентрации щелочного компонента от 0 до 33 % ТКЛР повышается. Это обусловлено двумя факторами:

уменьшением степени связности структурной сетки;

появлением в системе менее прочных связей Si-О-Si типа Si-O-Ме.

Природа щелочного компонента также влияет на αt. Термическое расширение растет по мере увеличения ионного радиуса в ряду

Li→Na→K

Двухзарядные ионы щелочноземельных металлов способствуют увеличению степени связности структурной сетки и обладают более высокой энергией связи Ме-О, чем ионы щелочных металлов. По эффективности воздействия на αt в сторону его уменьшения щелочноземельные металлы располагаются в следующий ряд:

Ве→Мg→Са→Ва,

т.е. наиболее низкие значения αt достигаются при Ва.

Уменьшается αt при введении в стекло многозарядных ионов типа Fе(lll), Lа, Се, В, Аl, Zr, что обусловлено связыванием в прочные координационные полиэдры слабополяризованных атомов кислорода, повышением связности смешанного элементокремнекислородного каркаса.

Термостойкость характеризует свойства материалов выдерживать одно- или многократные перепады температур без разрушения. При резком охлаждении или нагревании в стекле возникают термоупругие напряжения: при нагревании - сжатие, а при охлаждении - растяжение. Поскольку изделия из стекла обладают более высокой прочностью на сжатие, то термостойкость изделий из стекла более высокая при резком нагреве, чем при резком охлаждении.

Коэффициент термостойкости материала может быть рассчитан по формуле Винкельмана - Шотта:

где S – константа, учитывающая форму изделия;

σр - предел прочности при растяжении;

α – ТКРЛ;

Е – модуль упругости;

- коэффициент температуропроводности;

с- теплоёмкость стекла;

d – плотность.

Или в более четкой форме:

,

где обозначения те же.

Среди силикатных стекол наиболее высокой термостойкостью (~ 1000°С) обладает кварцевое стекло, для которого характерно оптимальное сочетание параметров: самое низкое значение αt (5х10-7оС-1), высокий коэффициент температуропроводности.

2

Большинство строительных материалов обладают способностью в большей или меньшей степени проводить через себя теплоту. Данное свойство материалов носит название теплопроводности  и оценивается при помощи коэффициента теплопроводности λ.

Определение теплопроводности происходит опытным путём,  а сам коэффициент характеризуется количеством тепла, которое проходит сквозь материал толщиной 1 м и площадью 1м2 за 1 час при температуре, отличающейся на противоположных его сторонах на 1°С.

Теплопроводность материалов (таблица с примерами дана ниже) бывает разной, причём зависит она не только от того, из какого эти строительные материалы вещества сделаны, но и от того, в каком они состоянии.  Так, например, теплопроводность пористых отделочных материалов очень сильно увеличивается, если они становятся влажными (или же в их порах замерзает влага).

Посмотрим на примерах,  какая бывает теплопроводность материалов. Таблица с наиболее часто используемыми строительными материалами выглядит так:

Следующая немаловажная способность строительных материалов — это изменение ими своих линейных размеров (или же своего первоначального объёма) из-за изменения температуры. Называются такие изменения температурными деформациями.

Расчёт температурных деформаций происходит по следующей формуле:

lt =  l0(1+αt),

где lt , l0 — длина исследуемого образца материала (его температура соответственно t и 0°С),

αt — коэффициент линейного температурного расширения,  °С-1,

t — температура, °С.

Коэффициент линейного температурного расширения показывает, как реагирует материал на изменение температуры (склонность к температурным деформациям), насколько изменяется его длина, если температура изменяется на 1°С.

Под огнестойкостью строительного материала понимают его способность противостоять огню без снижения своих эксплуатационных свойств в течение определённого промежутка времени. Классифицируя строительные материалы согласно их пожарной безопасности, их можно разделить на следующие группы:

                несгораемые материалы (бетон, камень, кирпич керамический, минеральная вата, сталь);

                трудносгораемые материалы (гипсокартон, фибролит, пластмассы на специальных полимерах, древесина, пропитанная огнезащитными средствами);

                сгораемые материалы (полимеры, битум, необработанная антипиренами древесина).

Некоторые несгораемые материалы при воздействии на них высоких температур трескаются или подвергаются значительной деформации, поэтому конструкции из них обязательно необходимо защищать подходящими отделочными материалами.

Теперь обратимся к такому понятию, как предел огнестойкости материалов, который характеризуется продолжительностью их сопротивления воздействию огня без их повреждения и снижения прочности.

Предел огнестойкости строительных конструкций может существенно различаться. Так, металлические конструкции выдерживают открытый огонь, как правило, лишь в течение 30 минут, железобетонные — 1−2 часа, а бетон сопротивляется воздействию огня 2−5 часов.

Если предел огнестойкости материалов очень высок (пламя действует на них очень долго, но они при этом не расплавляются, не становятся мягкими и не подвергаются иным деформациям), то такие материалы называют огнеупорными. Примеры огнеупорных материалов: магнезитовый кирпич, шамот.