La creazione di un microclima ottimale e il consumo di energia termica per il riscaldamento di una casa privata nella stagione fredda dipende in gran parte dalle proprietà di isolamento termico dei materiali da costruzione con cui è stato costruito questo edificio. Una di queste caratteristiche è la capacità termica. Questo valore deve essere preso in considerazione quando si scelgono i materiali da costruzione per la costruzione di una casa privata. Pertanto, la capacità termica di alcuni materiali da costruzione sarà ulteriormente considerata.
Definizione e formula della capacità termica
Ogni sostanza, in un modo o nell'altro, è in grado di assorbire, immagazzinare e trattenere energia termica. Per descrivere questo processo viene introdotto il concetto di capacità termica, che è la proprietà di un materiale di assorbire energia termica quando l'aria circostante viene riscaldata.
Per riscaldare qualsiasi materiale di massa m dalla temperatura t iniziale alla temperatura t finale, sarà necessario spendere una certa quantità di energia termica Q, che sarà proporzionale alla differenza di massa e temperatura ΔT (t finale -t iniziale). Pertanto, la formula della capacità termica sarà simile alla seguente: Q \u003d c * m * ΔT, dove c è il coefficiente di capacità termica (valore specifico). Può essere calcolato con la formula: c \u003d Q / (m * ΔT) (kcal / (kg * ° C)).
Supponendo condizionatamente che la massa della sostanza sia 1 kg, e ΔТ = 1°C, possiamo ottenere che c = Q (kcal). Ciò significa che la capacità termica specifica è uguale alla quantità di energia termica spesa per riscaldare di 1°C un materiale di 1 kg.
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L'uso della capacità termica in pratica
Per la costruzione di strutture resistenti al calore vengono utilizzati materiali da costruzione ad alta capacità termica. Questo è molto importante per le case private in cui le persone vivono stabilmente. Il fatto è che tali strutture consentono di immagazzinare (accumulare) calore, in modo da mantenere una temperatura confortevole in casa per un periodo piuttosto lungo. All'inizio stufa riscalda l'aria e le pareti, dopodiché le pareti stesse riscaldano l'aria. Ciò ti consente di risparmiare sul riscaldamento e rendere il tuo soggiorno più confortevole. Per una casa in cui le persone vivono periodicamente (ad esempio nei fine settimana), la grande capacità termica dei materiali da costruzione avrà l'effetto opposto: un tale edificio sarà abbastanza difficile da riscaldare rapidamente.
I valori della capacità termica dei materiali da costruzione sono riportati in SNiP II-3-79. Di seguito è riportata una tabella dei principali materiali da costruzione e dei valori della loro capacità termica specifica.
Tabella 1
Il mattone ha un'elevata capacità termica, quindi è ideale per costruire case e costruire stufe.
Parlando di capacità termica, va notato che forni di riscaldamento si consiglia di costruire da mattoni, poiché il valore della sua capacità termica è piuttosto elevato. Ciò consente di utilizzare il forno come una sorta di accumulatore di calore. Gli accumulatori di calore negli impianti di riscaldamento (soprattutto negli impianti di riscaldamento dell'acqua) vengono utilizzati sempre di più ogni anno. Tali dispositivi sono convenienti in quanto è sufficiente riscaldarli bene una volta con un focolare intensivo di una caldaia a combustibile solido, dopo di che riscalderanno la tua casa per un giorno intero e anche di più. Ciò farà risparmiare notevolmente il tuo budget.
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Capacità termica dei materiali da costruzione
Quali dovrebbero essere le pareti di una casa privata da abbinare codici edilizi? La risposta a questa domanda ha diverse sfumature. Per affrontarli, verrà fornito un esempio della capacità termica dei 2 materiali da costruzione più diffusi: cemento e legno. ha un valore di 0,84 kJ / (kg * ° C) e un albero - 2,3 kJ / (kg * ° C).
A prima vista si potrebbe pensare che il legno sia un materiale ad alta intensità di calore più del cemento. Questo è vero, perché il legno contiene quasi 3 volte più energia termica del cemento. Per riscaldare 1 kg di legna, devi spendere 2,3 kJ di energia termica, ma quando si raffredda rilascerà anche 2,3 kJ nello spazio. Allo stesso tempo, 1 kg di una struttura in calcestruzzo è in grado di accumularsi e, di conseguenza, rilasciare solo 0,84 kJ.
Ma non correre alle conclusioni. Ad esempio, è necessario scoprire quale capacità termica avrà 1 m 2 di una parete in cemento e legno di 30 cm di spessore Per fare ciò, è necessario prima calcolare il peso di tali strutture. 1 m 2 di questo muro di cemento peserà: 2300 kg / m 3 * 0,3 m 3 \u003d 690 kg. 1 m 2 di una parete di legno peserà: 500 kg / m 3 * 0,3 m 3 \u003d 150 kg.
- per un muro di cemento: 0,84*690*22 = 12751 kJ;
- per una struttura in legno: 2,3 * 150 * 22 = 7590 kJ.
Dal risultato ottenuto si può concludere che 1 m 3 di legno accumulerà calore quasi 2 volte meno del calcestruzzo. Un materiale intermedio in termini di capacità termica tra calcestruzzo e legno è muratura, nel cui volume unitario nelle stesse condizioni conterrà 9199 kJ di energia termica. Allo stesso tempo, il calcestruzzo cellulare, come materiale da costruzione, conterrà solo 3326 kJ, che saranno molto meno del legno. Tuttavia, in pratica, lo spessore di una struttura in legno può essere di 15-20 cm, quando il calcestruzzo aerato può essere posato su più file, aumentando notevolmente il calore specifico della parete.
| Nome | cp bene kJ/(kg °C) | Nome | cp bene kJ/(kg °C) |
|---|---|---|---|
| Acetone | 2,22 | Olio minerale | 1,67…2,01 |
| Benzina | 2,09 | Olio lubrificante | 1,67 |
| Benzene (10°C) | 1,42 | cloruro di metilene | 1,13 |
| (40С) | 1,77 | Cloruro di metile | 1,59 |
| L'acqua è pulita (0°С) | 4,218 | Acqua di mare (18°C) | |
| (10°С) | 4,192 | 0,5% di sale | 4,10 |
| (20°С) | 4,182 | 3% di sale | 3,93 |
| (40°С) | 4,178 | 6% di sale | 3,78 |
| (60°С) | 4,184 | Il petrolio | 0,88 |
| (80°С) | 4,196 | Nitrobenzene | 1,47 |
| (100°С) | 4,216 | paraffina liquida | 2,13 |
| Glicerolo | 2,43 | (-10°С) | |
| Catrame | 2,09 | 20% di sale | 3,06 |
| Catrame di carbone | 2,09 | 30% di sale | 2,64…2,72 |
| difenile | 2,13 | Mercurio | 0,138 |
| Dovterm | 1,55 | Trementina | 1,80 |
| Famiglia cherosene | 1,88 | Alcool metilico (metanolo) | 2,47 |
| Cherosene per uso domestico (100°С) | 2,01 | Ammoniaca alcolica | 4,73 |
| Cherosene pesante | 2,09 | Alcool etilico (etanolo) | 2,39 |
| Acido nitrico 100% | 3,10 | Toluene | 1.72 |
| Acido solforico 100% | 1,34 | Tricloroetilene | 0,93 |
| Acido cloridrico 17% | 1,93 | Cloroformio | 1,00 |
| Acido carbonico (-190°С) | 0,88 | glicole etilenico | 2,30 |
| Colla da falegname | 4,19 | Estere dell'acido silicico | 1,47 |
Calore specifico- questo è quanto è necessario spendere per riscaldare 1 chilogrammo di una sostanza di 1 grado Kelvin (o Celsius).
Fisico dimensionecalore specifico: J / (kg K) \u003d J kg -1 K -1 \u003d m 2 s -2 K -1.
La tabella elenca in ordine crescente i valori del calore specifico di varie sostanze, leghe, soluzioni, miscele. I collegamenti a questa fonte sono forniti dopo la tabella.
Quando si utilizza la tabella, si dovrebbe tenere conto della natura approssimativa dei dati. Per tutte le sostanze, la capacità termica specifica dipende dalla temperatura e . Per oggetti complessi (miscele, materiali compositi, prodotti alimentari), la capacità termica specifica può variare in modo significativo per i diversi campioni.
| Sostanza | Aggregato condizione | Specifico capacità termica, J/(kg K) |
| Oro | solido | 129 |
| Guida | solido | 130 |
| Iridio | solido | 134 |
| Tungsteno | solido | 134 |
| Platino | solido | 134 |
| Mercurio | liquido | 139 |
| Lattina | solido | 218 |
| Argento | solido | 234 |
| Zinco | solido | 380 |
| Ottone | solido | 380 |
| Rame | solido | 385 |
| Costantano | solido | 410 |
| Ferro | solido | 444 |
| Acciaio | solido | 460 |
| Acciaio altolegato | solido | 480 |
| Ghisa | solido | 500 |
| Nichel | solido | 500 |
| Diamante | solido | 502 |
| Pietra focaia (vetro) | solido | 503 |
| Kronglas (vetro) | solido | 670 |
| vetro di quarzo | solido | 703 |
| Zolfo rombico | solido | 710 |
| Quarzo | solido | 750 |
| Granito | solido | 770 |
| Porcellana | solido | 800 |
| Cemento | solido | 800 |
| Calcite | solido | 800 |
| Basalto | solido | 820 |
| Sabbia | solido | 835 |
| Grafite | solido | 840 |
| Mattone | solido | 840 |
| Vetro della finestra | solido | 840 |
| Amianto | solido | 840 |
| Coca-Cola (0…100°C) | solido | 840 |
| Lime | solido | 840 |
| Fibra minerale | solido | 840 |
| Terra (asciutta) | solido | 840 |
| Marmo | solido | 840 |
| Sale | solido | 880 |
| Mica | solido | 880 |
| Il petrolio | liquido | 880 |
| Argilla | solido | 900 |
| salgemma | solido | 920 |
| Asfalto | solido | 920 |
| Ossigeno | gassoso | 920 |
| Alluminio | solido | 930 |
| Tricloroetilene | liquido | 930 |
| Absocemento | solido | 960 |
| mattone di silicato | solido | 1000 |
| PVC | solido | 1000 |
| Cloroformio | liquido | 1000 |
| Aria secca) | gassoso | 1005 |
| Azoto | gassoso | 1042 |
| Gesso | solido | 1090 |
| Calcestruzzo | solido | 1130 |
| zucchero | 1250 | |
| cotone | solido | 1300 |
| Carbone | solido | 1300 |
| Carta (asciutta) | solido | 1340 |
| Acido solforico (100%) | liquido | 1340 |
| (CO2 solido) | solido | 1380 |
| Polistirolo | solido | 1380 |
| poliuretano | solido | 1380 |
| Gomma (dura) | solido | 1420 |
| Benzene | liquido | 1420 |
| Textolite | solido | 1470 |
| Solidolo | solido | 1470 |
| Cellulosa | solido | 1500 |
| Pelle | solido | 1510 |
| Bachelite | solido | 1590 |
| Lana vergine | solido | 1700 |
| Olio per macchine | liquido | 1670 |
| sughero | solido | 1680 |
| Toluene | solido | 1720 |
| Vinileplast | solido | |
| Trementina | liquido | 1800 |
| Berillio | solido | 1824 |
| Famiglia cherosene | liquido | 1880 |
| Plastica | solido | 1900 |
| Acido cloridrico (17%) | liquido | 1930 |
| Terra (bagnata) | solido | 2000 |
| Acqua (vapore a 100°C) | gassoso | 2020 |
| Benzina | liquido | 2050 |
| Acqua (ghiaccio a 0°C) | solido | 2060 |
| Latte condensato | 2061 | |
| Catrame di carbone | liquido | 2090 |
| Acetone | liquido | 2160 |
| Salò | 2175 | |
| Paraffina | liquido | 2200 |
| cartone di fibra | solido | 2300 |
| glicole etilenico | liquido | 2300 |
| Etanolo (alcool) | liquido | 2390 |
| Legno (rovere) | solido | 2400 |
| Glicerolo | liquido | 2430 |
| Alcool metilico | liquido | 2470 |
| manzo grasso | 2510 | |
| Sciroppo | 2650 | |
| Burro | 2680 | |
| Albero (abete) | solido | 2700 |
| Maiale, agnello | 2845 | |
| Fegato | 3010 | |
| Acido nitrico (100%) | liquido | 3100 |
| Albume d'uovo (pollo) | 3140 | |
| Formaggio | 3140 | |
| Carne magra bovina | 3220 | |
| carne di pollame | 3300 | |
| Patata | 3430 | |
| Il corpo umano | 3470 | |
| Panna acida | 3550 | |
| Litio | solido | 3582 |
| Mele | 3600 | |
| Salsiccia | 3600 | |
| pesce magro | 3600 | |
| Arance, limoni | 3670 | |
| Birra al mosto | liquido | 3927 |
| Acqua di mare (6% di sale) | liquido | 3780 |
| Funghi | 3900 | |
| Acqua di mare (3% di sale) | liquido | 3930 |
| Acqua di mare (0,5% di sale) | liquido | 4100 |
| Acqua | liquido | 4183 |
| Ammoniaca | liquido | 4730 |
| Colla per legno | liquido | 4190 |
| Elio | gassoso | 5190 |
| Idrogeno | gassoso | 14300 |
| Nome materiale | Nome materiale | C, kcal/kg*С |
| addominali | ABS, copolimero acrilonitrile-butadiene-stirene | 0,34 |
| POM | Poliossimetilene | 0,35 |
| PMMA | Polimetilmetacrilato | 0,35 |
| ionomero | ionomeri | 0,55 |
| PA6/6.6/6.10 | Poliammide 6/6.6/6.10 | 0,4
|
| PA 11 | Poliammide 11 | 0,58
|
| PA 12 | Poliammide 12 | 0,28 |
| policarbonato | 0,28 |
|
| PU | poliuretano | 0,45 |
| PBT | Polibutilentereftalato | 0,3-0,5 |
| Polietilene | 0,55 |
|
| ANIMALE DOMESTICO | Polietilene tereftalato | 0,3-0,5 |
| PPO | Ossido di polifenilene | 0,4
|
| Carbossimetilcellulosa, cellulosa polianionica | 0,27 |
|
| Polipropilene | 0,46 |
|
| PS (GP) | Polistirolo | 0,28 |
| alimentatore | Polisulfone | 0,31 |
| PCV | PVC | 0,2 |
| SAN(AS) | Resine, copolimeri a base di stirene e acrilonitrile | 0,32 |
È generalmente accettato che qualsiasi sabbia sia adatta per lavori di costruzione. Ma non lo è. Innanzitutto, è necessario applicare solo tipi di edifici speciali. In secondo luogo, è necessario tenere conto delle loro caratteristiche individuali.
Il peso specifico e la capacità termica di questo materiale svolgono un ruolo importante nella scelta di uno dei suoi tipi e saranno discussi in questo articolo.
Classificazione
Le sue caratteristiche specifiche dipendono dal tipo di materiale. Ne esistono diverse varietà. Per origine, si divide in naturale e artificiale. Il primo tipo, a seconda del luogo di estrazione, ha le seguenti varietà:
Carriera
La sabbia di cava viene estratta a seguito della distruzione delle rocce. I suoi grani possono variare da 0,16 a 3,2 mm. Per le caratteristiche dell'estrazione risulta essere di scarsa qualità, in quanto contiene molte impurità sotto forma di argilla e polvere.
schiacciato
Si ottiene a causa della distruzione e macinazione delle rocce. Questo processo avviene su attrezzature speciali, quindi l'estrazione di questa sabbia si riflette nel suo alto costo. A causa della forma irregolare risultante, i granelli di sabbia si legano bene tra loro e con altri materiali da costruzione. Quando si aggiunge tale materiale, il consumo di calcestruzzo diminuisce. 
Applicazione: È usato per strutture in cemento armato, per il riempimento di strade e sentieri, e anche come riempitivo per miscele secche.
Le suddette varietà di sabbia differiscono per colore. Quindi, la cava ha una tonalità gialla e marrone e il fiume si trova in crema e grigio.
Artificiale
È considerato tale, perché subisce una lavorazione speciale, dopo di che si ottiene un materiale che differisce per proprietà dal suo originale. Creato dalla frantumazione di pietre naturali. 
Quarzo
È la più ricercata di tutte le specie artificiali. Si ottiene macinando quarzo bianco. Dopo una certa lavorazione si ottiene una composizione omogenea senza impurità. Questa funzione consente di calcolare le dimensioni esatte della struttura futura. 
Applicazione: l'aspetto quarzo è molto utilizzato nelle finiture e nei lavori decorativi, a volte viene aggiunto in fase di creazione Malta cementizia, ma questo accade molto raramente. Di solito si trova in vernici, riempitivi e filtri di drenaggio.
C'è anche la sabbia per stampaggio, viene utilizzata durante lo stampaggio nei modelli in metallo.
Definizione di quantità
Questo valore è uguale alla massa che rientra in un'unità di volume. In altre parole, densità. Molto spesso nella letteratura di riferimento viene misurato in g / cm 3 o kg / m 3.
Il peso specifico della sabbia dipende dalla quantità di impurità in essa contenute e dal contenuto di umidità del materiale. L'alto contenuto di acqua aumenta peso specifico per unità di volume. Inoltre, questo indicatore dipenderà dal luogo di conservazione della sabbia, cosa che accade:
- evento naturale;
- l'ubicazione del materiale alla rinfusa;
- sigillo artificiale.
Lo stesso tipo di sabbia in queste condizioni avrà valori diversi.
Secondo GOST 8736-77, è indicato che il peso specifico della sabbia da costruzione può variare da 1150 a 1700 kg / m 3.
Ad esempio, la tabella mostra diversi valori delle sue singole varietà.
| Tipo di sabbia | Peso specifico in kg / 1 m 3 |
| Sigillatura alluvionale del fiume | 1200-1700 |
| 1650 | |
| 1590 | |
| Carriera | 1500 |
| Nautico | 1620 |
| Quarzo | 1600-1700 |
| Bagnato | 1920 |
Capacità termica
Questa è la capacità di un materiale di ricevere, accumulare e trattenere energia. La capacità termica è un indicatore delle proprietà termofisiche della sabbia. La capacità di riscaldarsi dipende Composizione chimica, struttura e quantità di materiale utilizzato. Ecco perché punteggio totale dipenderà dalla sua secchezza. Importante per composizioni cementizie e quando si cementano pareti.
| Varietà di sabbia | Capacità termica specifica in kJ/kg per 10 |
| Quarzo bagnato | 2,09 |
| Fiume secco | 0,8 |
| Carriera | 0,84 |
| Nautico |
La sabbia è considerata il materiale più comune, che trova impiego in tutti gli ambiti dell'attività umana, in particolare nell'edilizia. È improbabile che ci sarà un edificio moderno, ovunque la sabbia venga utilizzata come materiale costitutivo. È usato per miscela di cemento o malta da muratura convenzionale muro di mattoni. La capacità termica della sabbia sarà discussa nell'articolo.
Vantaggi
Sabbia ha una serie di vantaggi attraverso il quale è gestito l'edificio lunghi anni. I principali includono:
- resistenza sismica;
- tollera bene gli sbalzi di temperatura, dalle forti gelate ai climi caldi;
- bassa compressione materiale, aiuta a posizionare una base pesante su di esso e allo stesso tempo attutisce ulteriormente l'intero edificio. Ciò è particolarmente vero nelle aree con frequenti terremoti;
- permeabilità all'acqua, che consente la pulizia di molti liquidi;
- ampia gamma di applicazioni in altri settori.
Per comodità di determinare la capacità termica del materiale, in questo caso vengono utilizzate tabelle di sabbia già pronte che mostrano i calcoli. Sono usati dai costruttori per i calcoli.
Anche la conducibilità termica è importante,
preso in considerazione durante la pianificazione opere di isolamento termico. La scelta del materiale giusto è molto importante, dipende da quanta energia termica devi spendere per riscaldare la stanza finita.
Il problema principale è la bassa capacità termica del materiale sabbioso e l'edificio finito, soprattutto se si tratta di un edificio residenziale, richiede un isolamento termico aggiuntivo. La conducibilità termica dipende dalla densità del materiale stesso. Un altro punto importante è il contenuto di umidità della sabbia.
Come indicato nella tabella seguente, all'aumentare dell'aumento, aumenta anche la conducibilità termica del materiale sabbioso.
Tabella - espressione dei principali parametri di conducibilità termica della sabbia
Questa tabella aiuterà sia i costruttori alle prime armi che coloro che non sono nuovi in questo settore a calcolare in modo rapido e accurato importo richiesto materiale di sabbia per lo sviluppo futuro. e la capacità termica è 840 Jkg * gradi.
Se viene utilizzata sabbia di fiume bagnata, i parametri saranno i seguenti: una massa di 1900 kgm3 ha una conduttività termica di 0,814 W m * gradi e una capacità termica di 2090 Jkg * gradi.
Tutti questi dati sono tratti da vari manuali in merito quantità fisiche e tabelle di termotecnica, dove sono forniti molti indicatori specifici per i materiali da costruzione. Quindi sarà utile avere un libro del genere con te.
Qual è la sabbia migliore da usare per fare il calcestruzzo?
L'uso diffuso della sabbia nei lavori di costruzione consente di ampliare la gamma di applicazioni. Lui è uno strumento universale per cucinare diverso tipo soluzione:
- per miscele di calcestruzzo;
- sul ;
- muri;
- posa di muri con blocchi o mattoni;
- colata di piastrelle portanti;
- produzione di un monolito.
Puoi elencarne di più, l'importante è capire l'essenza. Ma nella costruzione di vari tipi di strutture viene utilizzata sabbia con composizione e proprietà diverse.
Una proprietà unica, il passaggio da uno stato sciolto a uno denso. Consente l'utilizzo di questo materiale per un'ammortizzazione protettiva e naturale della struttura di base.
Se individuiamo la componente di produzione del calcestruzzo, allora qui organizzazioni edili e i costruttori privati preferiscono la sabbia del fiume. Le sue proprietà ti consentono di iniziare a usarlo senza ulteriori manipolazioni come il lavaggio, come quello di cava.
La più pura tra le sabbie estratte è quella estratta dal fondo dei fiumi attivi. Subisce un ulteriore trattamento di lavaggio e può essere utilizzato immediatamente per lo scopo previsto. La massa omogenea e l'assenza di impurità inutili rendono questo tipo di sabbia la più apprezzata, nonostante il costo.
- un materiale speciale e richiede un calcolo accurato delle proporzioni dei componenti, e la sua qualità dipende dalla presenza di rocce argillose nella sabbia. Dopotutto, le proprietà dell'argilla nell'avvolgere i granelli di sabbia del materiale estratto, che influiscono direttamente sull'adesione di alta qualità della sabbia ad altri componenti della miscela di calcestruzzo, compreso il cemento.
Per caratteristiche la sabbia è ulteriormente suddivisa in classi:
- primo grado;
- seconda classe;
- sabbie speciali.
Ciascuno dei gruppi elencati viene utilizzato per l'uso di prodotti in calcestruzzo, ma solo per un cerchio ristretto. Quindi, ad esempio, la prima classe viene utilizzata per il getto del calcestruzzo, le cui caratteristiche principali sono:
- qualità;
- elevata resistenza alle influenze esterne;
- sbalzi di temperatura, inclusa la resistenza al gelo.
Le sabbie appartenenti alla seconda classe vengono utilizzate solo per la produzione di materiali che non richiedono una maggiore resistenza all'umidità, ad esempio per piastrelle o strutture di rivestimento.
Speciale miscele di sabbia necessario per la costruzione di calcestruzzo o strutture in cemento armato. Tali miscele consentono di rafforzare una serie di indicatori di compressione e resistenza ai cambiamenti atmosferici.
Per ulteriori informazioni sulle proprietà e sull'uso della sabbia, guarda il video:
La capacità termica dei corpi è la capacità di assorbire una certa quantità di calore quando riscaldato, o di cederlo quando è raffreddato. La capacità termica di un corpo è il rapporto tra una quantità infinitesimale di calore ricevuto dal corpo e il corrispondente aumento della sua temperatura. Questo valore è misurato in J / K. Per applicazioni pratiche viene utilizzata la capacità termica specifica. La capacità termica specifica è la capacità termica per unità di quantità di una sostanza. La quantità di questa sostanza, a sua volta, può essere misurata in metri cubi, chilogrammi o moli. A seconda dell'unità quantitativa a cui appartiene la capacità termica, ci sono capacità termica volumetrica, massa e molare. Nella costruzione, è improbabile che dovremo occuparci di misurazioni molari, quindi lascerò la capacità termica molare ai fisici.
La capacità termica specifica di massa (indicata dalla lettera C), chiamata anche semplicemente capacità termica specifica, è la quantità di calore che deve essere fornita a una massa unitaria di una sostanza per riscaldarla per unità di temperatura. In SI, è misurato in joule per chilogrammo per kelvin - J / (kg K).
La capacità termica volumetrica (C`) è la quantità di calore che deve essere fornita, rispettivamente, a un volume unitario di una sostanza per riscaldarla per unità di temperatura. In SI si misura in joule per metro cubo per kelvin J/(m³ ·A). Nelle guide alla costruzione, di solito viene fornita la capacità termica specifica di massa - la prenderemo in considerazione.
Il valore del calore specifico è influenzato dalla temperatura della sostanza, dalla pressione e da altri parametri termodinamici. All'aumentare della temperatura di una sostanza, la sua capacità termica specifica, di regola, aumenta, ma alcune sostanze hanno una curva completamente non lineare di questa dipendenza. Ad esempio, con un aumento della temperatura da 0°C a 37°C, la capacità termica specifica dell'acqua diminuisce, e dopo 37°C a 100°C aumenta (vedi figura a sinistra). Inoltre, la capacità termica specifica dipende da come possono variare i parametri termodinamici della sostanza (pressione, volume, ecc.); ad esempio, il calore specifico a pressione costante ea volume costante sono differenti.
La formula per calcolare la capacità termica specifica: С=Q/(m ΔT), dove Q è la quantità di calore ricevuta dalla sostanza durante il riscaldamento (o rilasciata durante il raffreddamento), m è la massa della sostanza, ΔT è la differenza tra la temperatura finale e quella iniziale della sostanza. I valori di capacità termica di molti materiali da costruzione sono presentati nella tabella seguente.
Per la visualizzazione, fornirò anche la relazione tra la conducibilità termica e la capacità termica di alcuni maretial e anche la dipendenza dalla capacità termica e dalla densità:
Cosa ci dà in pratica questa caratteristica dei materiali?
I materiali ad alta intensità di calore sono utilizzati nella costruzione di pareti resistenti al calore. Questo è importante per le case con riscaldamento periodico, come le stufe. I materiali ad alta intensità di calore e le pareti realizzate accumulano bene il calore. Conservalo durante il lavoro sistema di riscaldamento(forno) e cedere gradualmente dopo aver spento l'impianto di riscaldamento, consentendo così di mantenere temperatura confortevole durante il giorno. Più calore può essere immagazzinato in una struttura ad alta intensità di calore, più stabile sarà la temperatura nella stanza. È interessante notare che il mattone e il cemento, tradizionali nell'edilizia domestica, hanno una capacità termica significativamente inferiore rispetto, ad esempio, al polistirene espanso e l'ecowool consuma tre (!) volte più calore del cemento. Tuttavia, la massa non è coinvolta invano nella formula della capacità termica. È l'enorme massa di cemento o mattoni rispetto alla stessa ecowool che consente di accumulare quantità significative di calore nei muri in pietra delle case e di attenuare gli sbalzi termici giornalieri. Ed è proprio la massa trascurabile dell'isolamento nelle case a telaio, nonostante la maggiore capacità termica, cioè Punto debole tutte le tecnologie del telaio.
Per risolvere il problema descritto, nelle case a telaio sono installati enormi accumulatori di calore: elementi strutturali che hanno una massa elevata con un valore di capacità termica sufficientemente elevato. Potrebbero anche essere alcuni pareti interne mattoni, massiccia stufa o camino, massetti in cemento. Anche i mobili in casa sono un buon accumulatore di calore, poiché compensato, truciolare e qualsiasi albero possono immagazzinare quasi tre volte più calore per chilogrammo di peso rispetto allo stesso mattone. Lo svantaggio di questo approccio è che l'accumulatore di calore deve essere progettato in fase di progettazione. casa di legno. A causa del suo enorme peso, è necessario progettare in anticipo le fondamenta, per immaginare come questo oggetto verrà integrato all'interno. Vale la pena notare che la massa non è ancora l'unico criterio, ma sono proprio entrambe le caratteristiche che devono essere valutate: massa e capacità termica. Anche l'oro, con il suo incredibile peso di meno di 20 tonnellate per metro cubo, come accumulatore di calore funzionerà solo del 23% meglio di un cubo di cemento del peso di 2,5 tonnellate.
Ma la sostanza migliore per un accumulatore di calore non è il cemento e nemmeno il mattone! Rame, bronzo e ferro vanno bene, ma sono troppo pesanti. Acqua! L'acqua ha un'enorme capacità termica, la più grande tra le sostanze disponibili. I gas Elio (5190 J/(kg K) e Idrogeno (14300 J/(kg K)) hanno una capacità termica ancora maggiore, ma sono un po' problematici da usare...
Ho calcolato la quantità di energia termica immagazzinata in 1 m³ e 1 tonnellata di materiale a ΔT=1 °C. Q=CmΔT
Come si evince dalla rappresentazione grafica dei dati, nessun materiale può competere con l'acqua in termini di quantità di calore accumulato! Per immagazzinare 1 MJ di calore, abbiamo bisogno di 240 litri di acqua o quasi 8 tonnellate di oro! L'acqua accumula calore 2,6 volte più del mattone (a parità di volume). In pratica, ciò significa che è meglio utilizzare contenitori per l'acqua come accumulatori di calore molto efficienti. L'implementazione di un pavimento ad acqua calda aiuterà anche a migliorare la stabilità del regime di temperatura.
Tuttavia, queste considerazioni sono applicabili per temperature non superiori a 100°C. Dopo l'ebollizione, l'acqua passa in uno stato di fase diverso e cambia drasticamente la sua capacità termica.
Esercizi di matematica
Per calcolare la dispersione termica e l'impianto di riscaldamento della mia futura casa, ho utilizzato uno specialista Software sul calcolo degli elementi dei sistemi di ingegneria "VALTEC" da una certa LLC "Vesta-Trading". Il programma VALTEC.PRG è di dominio pubblico e consente di calcolare il riscaldamento del radiatore dell'acqua, del pavimento e delle pareti, determinare la richiesta di calore dei locali, i costi necessari del freddo, acqua calda, il volume delle acque reflue, per ottenere i calcoli idraulici delle reti interne di approvvigionamento idrico e termico dell'impianto. Quindi, utilizzando questo meraviglioso programma gratuito, ho calcolato che la dispersione termica della mia casa con una superficie di 152 metri quadrati ammontano a poco meno di 5 kW di energia termica. Ogni giorno escono 120 kWh o 432 MJ di calore. Se assumiamo che utilizzerò un accumulatore di calore ad acqua, che verrà riscaldato fino a 85°C da qualsiasi fonte di calore una volta al giorno e cederà gradualmente calore all'impianto di riscaldamento a pavimento fino ad una temperatura di 25°C (ΔT = 60°C), quindi per accumulare 432 MJ di calore ho bisogno di una capacità m=Q/(C ΔT) , 432/(4.184 60)=1,7 m³.
E cosa accadrebbe se, ad esempio, installassi un forno in muratura in casa. Un mattone del peso di 1 tonnellata riscaldato in un focolare fino a 500 ° C compensa completamente la perdita di calore della mia casa durante il giorno. In questo caso, il volume del mattone sarà di circa 0,5 metri cubi.
Una caratteristica del mio progetto di casa (in generale, niente di speciale) è il riscaldamento con un pavimento ad acqua calda. Il tubo termovettore sarà posato in uno strato di 7 cm di massetto sotto l'intera superficie del pavimento (152 m²) - si tratta di 10,64 m³ di cemento! Sotto il massetto di cemento è previsto pavimento di legno su travi con 25 centimetri di isolamento in schiuma di polistirene - possiamo dire che attraverso una tale torta di isolamento 1 m² di pavimento perderà circa 4 W di calore, che, ovviamente, può essere tranquillamente trascurato. Quale sarà la capacità termica del pavimento? Ad una temperatura del liquido di raffreddamento di 27°C, un massetto in calcestruzzo assorbirà 580 MJ di calore, che equivalgono a 161 kWh di energia e più di quanto copre il fabbisogno giornaliero di calore. In altre parole, in inverno a -20 ° С (era per tali temperature che è stata calcolata la perdita di calore in casa) dovrò riscaldare il pavimento a 27 ° С ogni due giorni e se si installa un accumulatore di calore ad acqua aggiuntivo per 1000 litri, la caldaia funzionerà anche due volte a settimana.
Eccola, la capacità termica a una considerazione molto superficiale.
Assorbimento di calore
Il coefficiente di assorbimento del calore (valore U inglese) riflette la capacità di un materiale di assorbire calore quando la temperatura fluttua sulla sua superficie, o, in altre parole, questo coefficiente S mostra la capacità di una superficie di un materiale con un'area di 1 m² per assorbire il calore per 1 s con una differenza di temperatura di 1°C. Come può essere compreso dalla vita di tutti i giorni? Se applichi contemporaneamente entrambe le mani su due superfici di cemento e plastica espansa che hanno la stessa temperatura, la prima sarà percepita come più fredda: l'esperimento è ancora con lezioni scolastiche fisica. Questa sensazione è causata dal fatto che la superficie del calcestruzzo sottrae (assimila) il calore dalla mano in modo più intenso rispetto a quella in plastica espansa, poiché il calcestruzzo ha un coefficiente di assorbimento del calore più elevato (S concrete = 18 W / (m² ° C), Seps = 0,41 W / (m² ·°C)), nonostante la capacità termica specifica della plastica espansa sia una volta e mezza maggiore di quella del calcestruzzo.
Il valore del coefficiente di assorbimento di calore S dei materiali con un periodo di fluttuazioni del flusso di calore di 24 h proporzionale al coefficiente di conducibilità termica λ, W / (m K), calore specifico c, J / (kg K) e densità del materiale ρ, kg / m³ e inversamente proporzionale al periodo di oscillazioni termiche T, c (formula sulla sinistra). Ma nella pratica costruttiva vengono utilizzate formule che tengono conto dell'effetto del rapporto di massa dell'umidità nel materiale e delle condizioni climatiche di funzionamento. Per non ingombrarti di informazioni non necessarie, ti suggerisco di utilizzare i dati tabulari già calcolati da SNiP II-3-79 "Ingegneria del calore edile". Ho raccolto i più interessanti in un tavolino.
Materiali di isolamento termico alta efficienza (minore conducibilità termica) hanno un coefficiente di assorbimento del calore molto basso, cioè al variare della temperatura, le superfici assorbono meno calore e quindi sono attivamente utilizzate per isolare strutture e dispositivi con modalità di funzionamento fortemente variabili.
Le fluttuazioni di temperatura sulla superficie esterna del materiale, a loro volta, provocano fluttuazioni di temperatura nel materiale stesso e si attenueranno gradualmente nello spessore del materiale.
Durante il processo di costruzione, non ho ancora sentito parlare dell'assorbimento di calore dei materiali da parte di nessun costruttore - potresti avere l'impressione che si tratti di una sorta di teoria e non molto parametro importante. Tuttavia, non è così: l'assorbimento di calore dei materiali interni, come i pavimenti, influisce direttamente sulla sensazione di comfort. Puoi camminare comodamente a piedi nudi sul pavimento o dovrai indossare le pantofole tutto l'anno? Per i pavimenti esistono norme per il coefficiente limite di assorbimento del calore. Il valore normativo dell'assorbimento di calore del rivestimento per i pavimenti di edifici residenziali, ospedali, dispensari, cliniche, istruzione generale e scuole per bambini, asili nido - non più di 12 W / (m2 - ° C); per piani di edifici pubblici, ad eccezione di quanto sopra, edifici e locali ausiliari imprese industriali, siti con posti di lavoro a tempo indeterminato in riscaldato edifici industriali dove viene eseguito un lavoro fisico leggero (categoria I) - non più di 14 W / (m2-°С); per pavimenti in locali riscaldati di edifici industriali in cui viene eseguito un lavoro fisico medio-pesante (categoria II) - non più di 17 W / (m2-°С).
Il tasso di assorbimento del calore non è standardizzato: in ambienti con temperatura superficiale del pavimento superiore a 23°C; in riscaldato locali industriali dove viene svolto un lavoro fisico pesante (categoria III); negli edifici industriali, se sulle superfici dei posti di lavoro permanenti sono posati scudi in legno o materassini termoisolanti; in edifici pubblici, il cui funzionamento non è legato alla presenza costante di persone al loro interno (sale di musei e mostre, foyer di teatri e cinema, ecc.).
Inerzia termica
L'inerzia termica è la capacità dell'involucro edilizio di resistere alle variazioni del campo di temperatura al variare degli effetti termici. Determina il numero di onde di sbalzi di temperatura localizzate (attenuate) nello spessore della recinzione.
Il parametro di assorbimento del calore è indissolubilmente legato all'inerzia termica dei materiali. Nella figura che illustra il passaggio delle onde di temperatura nello spessore del materiale, si può notare la lunghezza d'onda, indicata con l. Il numero di tali onde situate nello spessore della recinzione è un indicatore dell'inerzia termica della recinzione. Il valore numerico di questo indicatore ha il nome della "recinzione massiccia" ed è indicato con D. È uguale al prodotto della sua resistenza termica R per una recinzione omogenea per il coefficiente di assorbimento del calore del materiale S: D=RS.
D è una quantità adimensionale. Nell'armadio con D=8,5 c'è circa un'onda di temperatura intera. Al d< 8,5 в ограждении распологается неполная волна (т.е. запаздывание колебаний на внутренней поверхности по отношению к колебаниям на наружней поверхности менее одного периода; при Т=24 часа запаздывание менее суток), а при D >8.5 - nello spessore si trova più di un'onda di temperatura.
Per le recinzioni multistrato, la sua massività è definita come la somma della massività dei singoli strati:
D=R1S1+R2S2+....RnSn, dove
R1, R2, Rn - resistenza termica dei singoli strati,
S1, S2, Sn - coefficienti calcolati di assorbimento del calore del materiale dei singoli strati della struttura.
La recinzione è considerata
Senza inerzia a D< 1,5;
"Leggero" in Re da 1,5 a 4;
"Medio massiccio" con Re da 4 a 7;
"Massiccio" a D > 7.
È interessante confrontare la "massicciosità" D di una recinzione composta, ad esempio, da 20 cm di polistirene espanso PSB-25 e mattoni di argilla:
D eps=R (0,2/0,035) * S (0,41)=2,34 (un colpo di freddo all'esterno influirà sulla temperatura interna dopo circa 6,6 ore)
D mattone = R (0,2/0,7) * S (9,2) = 2,63 (il freddo esterno influirà sulla temperatura interna dopo circa 7,5 ore)
Vediamo che la muratura è solo il 12% più "massiccia" della schiuma! Un risultato interessante, ma va notato che in realtà viene solitamente utilizzato un isolamento in schiuma più sottile (pannello SIP standard - 15 cm di EPS) e le pareti più spesse sono realizzate in mattoni. Quindi, con uno spessore del muro di 60 cm, il parametro D = 7,9, e questa è già una struttura "massiccia" in tutti i sensi, l'onda di temperatura attraverserà tale muro per circa 22 ore.
L'inerzia termica è sicuramente un fenomeno curioso, ma come tenerne conto nella scelta di un riscaldatore? Possiamo immaginare il processo fisico del passaggio di un'ondata di calore attraverso il nostro isolamento, ma se osserviamo la temperatura della superficie interna (Tse), la sua ampiezza (A) e la perdita di calore (Q), diventa alquanto poco chiaro come questo parametro (D) può influenzare la scelta. Ad esempio, prendi uno spessore di 30 cm:
Muro di mattoni D=3,35, A=2°C, Tse=15°C, Q=31;
Polistirene espanso D=3,2, A=0,1°C, Tse=19,7°C Q=2,4;
Ovviamente, a parità di inerzia termica con la schiuma, sarà notevolmente più caldo! Tuttavia, l'inerzia termica ha un effetto sulla cosiddetta stabilità termica degli edifici. Secondo " Ingegneria del calore edile"nel calcolo della resistenza richiesta al trasferimento di calore, la temperatura invernale calcolata dell'aria esterna dipende proprio dall'inerzia termica! Maggiore è l'inerzia termica, minore è l'impatto di una forte variazione della temperatura dell'aria esterna sulla stabilità del temperatura interna Questa dipendenza ha la forma seguente:
D<=1,5: Расчётная зимняя температура tн равна температуре наиболее холодных суток обеспеченностью 98%;
1.5 < D < 4: tн равна температуре наиболее холодных суток обеспеченностью 92%;
4 < D < 7: tн равна средней температуре наиболее холодных ТРЁХ суток;
D >7: tn è uguale alla temperatura media dei CINQUE giorni più freddi con una sicurezza del 92%.
Stranamente, ma nello stesso documento non c'è una temperatura media per i tre giorni più freddi, ma in SNiP 23-01-99 c'è un articolo "la temperatura del periodo di cinque giorni più freddo con una sicurezza del 98%, penso può essere utilizzato per il calcolo Il piatto a sinistra ( come sempre, ci sono discrepanze nei documenti). Mi spiego con un esempio:
Stiamo costruendo casa di legno a Brest e isolarlo con 15 cm di lana minerale. Inerzia termica della struttura D=1.3. Ciò significa che in tutti i calcoli dovremmo prendere la temperatura dell'aria esterna come -31 ° С.
Stiamo costruendo una casa a Brest in calcestruzzo aerato di 30 cm di spessore D=3,9. Ora possiamo eseguire calcoli di temperatura per -25°С.
Infine, stiamo costruendo una casa a Brest con legno di Pushcha con un diametro di 30 cm D = 9,13. La sua inerzia permette di effettuare calcoli termici per temperature non inferiori a -21°С.
Le massicce pareti ad alta intensità di calore in estate possono fungere da regolatore di temperatura passivo nelle stanze a causa della differenza di temperatura giornaliera. Le pareti che si sono raffreddate durante la notte rinfrescano l'aria calda proveniente dalla strada durante il giorno e viceversa. Tale regolazione è utile quando la temperatura media giornaliera dell'aria è confortevole per una persona. Ma se di notte non fa troppo fresco e di giorno fa molto caldo, allora non puoi fare a meno di un condizionatore d'aria in una casa di pietra. In inverno, le massicce pareti esterne sono assolutamente inutili come regolatore del clima. In inverno fa freddo giorno e notte. Se la casa viene riscaldata non costantemente, ma periodicamente, ad esempio con legna da ardere, è necessaria un'enorme stufa in pietra come accumulatore di calore e non pareti esterne in mattoni. Affinché le pareti esterne diventino un accumulatore di calore in inverno, devono essere ben isolate dall'esterno! Ma poi in estate queste pareti non potranno più raffreddarsi rapidamente durante la notte. Sarà la stessa casa di legno con isolamento, ma con un accumulatore di calore interno.
Per una visualizzazione visiva dei processi termici che si verificano nello spessore di un materiale omogeneo, ho realizzato un'unità flash interattiva in cui è possibile modificare le temperature di ingresso e di uscita, modificare lo spessore del materiale entro determinati limiti e selezionare (da un breve elenco di il più interessante dal mio punto di vista) il materiale stesso. Parte della matematica nell'unità flash si basa sulle formule di SNiP II-3-79 "Construction Heat Engineering" e potrebbe differire leggermente dagli altri miei esempi a causa di dati estremamente diversi sulle caratteristiche dello stesso materiale, su vari requisiti di microclima da fonte a fonte (SNiPs, KTP), e anche con i calcoli in tutti i manuali a causa di arrotondamenti arbitrari sia nei manuali che da parte mia =) Tutti i calcoli, per così dire, sono esplorativi.
