理论教育 材料热性质探究

材料热性质探究

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:材料的导热系数与材料内部的孔隙构造密切相关。在物理意义上,比热表示1g材料温度升高1K时所吸收的热量或降低1K时所放出的热量。

材料热性质探究

1.导热性

热量由材料的一面传至另一面的性质,称为导热性。导热性是材料的一个非常重要的热物理指标,也是材料传递热量的一种能力。材料导热能力用导热系数λ来表示。

在物理意义上,导热系数为单位厚度的材料,当两侧温度差为1K时,在单位时间内通过单位面积的热量。导热系数用下式计算:

式中 λ——导热系数[W/(m·K)];

Q——传导热量(J);

a——材料厚度(m);

A——传热面积(m2);

Z——传热时间(s);

t2-t1——材料传热时两面的温度差(K)。

材料的导热系数与材料内部的孔隙构造密切相关。由于密闭空气的导热系数仅为

0.023 W/(m·K),当材料中含有较多闭口孔隙时,其导热系数较小,材料的隔热绝热性较好;但当材料内部含有较多粗大、连通的孔隙时,空气会产生对流作用,使其传热性大大提高。

由于气候、施工水分和使用的影响,建筑材料具有一定的湿度,而湿度对导热系数有着极其重要的影响。材料受潮后,在材料的孔隙中有水分(包括蒸汽水和液态水),而水的导热系数[λ=0.58W/(m·K)]比静态空气的导热系数[λ=0.023 W/(m·K)]大20多倍,所以使材料导热系数增大。如果孔隙中的水分冻结成冰,冰的导热系数[λ=2.33 W/(m·K)]约是水的4倍,材料的导热系数将更大,则材料受潮或受冻将严重影响其保温效果。因此,工程中保温材料应特别注意防潮。

2.热容量

材料加热时吸收热量,冷却时放出热量的性质,称为热容量。热容量大小用比热(也称为热容量系数)表示。

在物理意义上,比热表示1g材料温度升高1K时所吸收的热量或降低1K时所放出的热量。

材料加热(或冷却)时,吸收(或放出)的热量与质量、温度差成正比,用下式表示:

式中 Q——材料吸收(或放出)的热量(J);

C——比热[J/(g·K)];

m——材料的质量(g);

t2-t1——材料受热(或冷却)后的温差(K)。

比热是反映材料的吸热和放热能力大小的物理量。不同材料的比热不同,即使是同一种材料,由于所处物态不同,比热也不同。例如,水的比热是4.186×103J/(kg·K),而结冰后比热则是2.093×103J/(kg·K)。(www.daowen.com)

材料的比热对保持建筑物内部温度稳定有很大意义。比热大的材料,能在热流变动或采暖设备供热不均匀时,缓和室内的温度变动,屋面材料也宜选用热容量大的材料。常用材料的热工性质指标见表1-2。

表1-2 常用材料的热工性质指标

续表

3.耐火性

耐火性是指材料在长期高温作用下,保持其结构和工作的基本稳定而不损坏的性能,用耐火度表示。工程上用于高温环境的材料和热工设备等都要使用耐火材料。根据材料耐火度的不同,可以分为三大类。

(1)耐火材料:耐火度不低于1580℃的材料,如各类耐火砖等。

(2)难熔材料:耐火度为1350℃~1580℃的材料,如难熔黏土砖、耐火混凝土等。

(3)易熔材料:耐火度低于1350℃的材料,如烧结普通砖、玻璃等。

4.耐燃性

耐燃性是指材料能经受火焰和高温的作用而结构不破坏,强度也不显著降低的性能,是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。根据耐燃性的不同,可以分为三大类。

(1)不燃材料:遇火或高温作用时,不起火、不燃烧、不碳化的材料,如混凝土、天然石材、砖、玻璃和金属等。需要注意的是,玻璃、钢铁和铝等材料,虽不燃烧,但在火烧或高温下会发生较大的变形或熔融,因而是不耐火的材料。

(2)难燃材料:遇火或高温作用时,难起火、难燃烧、难碳化,只有在火源持续存在时才能继续燃烧,火源消除即停止燃烧的材料,如沥青混凝土和经防火处理的木材等。

(3)易燃材料:遇火或高温作用时,容易引燃起火或微燃,火源消除后仍能继续燃烧的材料,如木材、沥青等。用可燃材料制作的构件,一般应经过防燃处理。

5.温度变形

温度变形是指材料在温度变化时产生的体积变化,多数材料在温度升高时体积膨胀,温度下降时体积收缩。温度变形在单向尺寸上的变化称为线膨胀或线收缩,一般用线膨胀系数来衡量,线膨胀系数用“α”表示,其计算式如下:

式中 α——材料在常温下的平均线膨胀系数(1/K);

ΔL——材料的线膨胀或线收缩量(mm);

t2-t1——温度差(K);

L——材料原长(mm)。

材料的线膨胀系数一般都较小,但由于建筑工程结构的尺寸较大,温度变形引起的结构体积变化仍是关系其安全与稳定的重要因素。工程上常用预留伸缩缝的办法来解决温度变形问题。

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