Почему древесина плохо проводит тепло посредством теплопроводности кратко

Обновлено: 04.07.2024

Мало того - теплопроводность разных металлов различается в десятки раз.

Сергей Искусственный Интеллект (285083) Не знаю! ((

Медь менее плотна, нежели сталь, а тепло проводит куда лучше.

Ольчик Оракул (50862) я знаю. просто плотность первое что пришло в голову. лень было расписывать

Платина плотнее меди более чем в два раза, а теплопроводность ее меньше чем у меди почти в шесть раз. Между тем атомарная плотность меди выше чем платины: 8,52*10^22 ат/см^3 против 6,62*10^22 ат/см^3. То есть расстояние между атомами у меди меньше, а сами атомы легче и, значит, подвижнее.

Теплопроводность материала, грубо говоря, зависит от двух вещей: от подвижности частиц (электронов, атомов, ионов, молекул. ) и от плотности этих частиц (количества их в определенном объеме - не путать с массовой плотностью). Чем выше эти показатели, тем выше теплопроводность.
Обычно, чем мельче частица - тем она подвижнее. Чем меньше расстояние между соседними частицами, тем выше их атомарная (молярная. ) плотность. Поэтому газы, обычно, имеют меньшую теплопроводность чем жидкости, а те, в свою очередь, меньше чем твердые тела.
В металлах, несмотря на большой вес отдельного атома, очень плотная (обычно кристаллическая) упаковка, то есть малое расстояние между соседними частицами, поэтому энергия передается от частице к частице почти без потерь.

Строительным материалом является только определенная часть ствола дерева – древесина. Дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны (совокупность ветвей, листьев, хвои). Ствол составляет 70-90% от всего объема дерева и имеет слоисто-волокнистую структуру, т. е. анизотропное строение.

Строение древесины изучают на трех разрезах ствола – поперечном или торцевом, радиальном, проходящем через ось ствола, и тангенциальном, параллельном оси ствола.

Древесина состоит из концентрически расположенных годичных слоев. Каждый годичный слой представлен ранней (весенней) и поздней (летней) древесиной. Ранняя древесина образуется весной и в начале лета͵ поздняя – летом и в начале осени. Чередуясь, ранняя и поздняя древесина создают слоистость в строении дерева. Летняя древесина является более плотной, чем весенняя.

Главным показателем механических свойств, древесины является ее прочность, способность противостоять расщеплению при воздействии внешних сил. Для определения технологичности очень важным показателем будет твердость, ᴛ.ᴇ. сопротивляемость обработке различным инструментом. Пластичность является также важным показателем технологичности, т.к. это свойство древесины изменять свою форму без признаков разрушения в процессе гнутья. Пластичность предполагает сохранение древесиной приданной гнутьем формы после снятия нагрузки. Упругость же, наоборот, предполагает восстановление первоначальной формы после снятия внешней нагрузки. Большое значение имеют плотность древесины, влажность, показатели усушки, разбухания, теплопроводности.

Рассмотрим их подробнее:

1. Плотность – физическая величина, определяемая отношением массы образца к его объему. Плотность древесины зависит от ее породы и влажности. С уменьшением влажности древесины снижается ее плотность, и она становится легче почти в 2 раза. Плотность поздней древесины годичного слоя в 2-3 раза больше, чем ранней.

При условии влажности не более 12% по показателям плотности древесину можно разделить на следующие группы:

высокой плотности . 750 и выше
средней плотности . 550 - 740
малой плотности . 540 и ниже

(плотность базовых пород приведена в таблице 1).

2. Влажность – это свойство древесины, характеризующее количество содержащейся в ней влаги. Структура древесных волокон такова, что влага лучше всего проникает через торцевые поверхности. Влага, находящаяся в полостях клеток и межклеточном пространстве, принято называть свободной, а в клеточных стенках – связанной или гигроскопической. Под относительной влажностью подразумевается соотношение массы заключенной в ней влаги к массе сухой древесины. Влажная древесина труднее поддается отделке, но лучше гнется.

По степени влажности древесина может быть:

абсолютно сухой (влажность равна 0%)
комнатно-сухой (влажность от 8 до 15%)
воздушно-сухой (влажность от 16 до 20%)
полусухой (влажность от 21 до 23%)
сырой (влаги более 23%)
свежесрубленной (влажность от 40 до 75%)
мокрой (влажность более 75%)

3. Теплопроводность – способность древесины проводить тепло через свою толщину от одной поверхности (слоя) к другой. Теплопроводность зависит от ряда факторов, основными из которых являются температура, влажность и плотность древесины, а также направление теплового потока относительно волокон. Вследствие пористого строения древесина плохо проводит тепло. Теплопроводность древесины вдоль волокон в 1,5-2,0 раза выше, чем поперек волокон. Влажная древесина имеет более низкий коэффициент теплопроводности. Вес древесины зависит от породы: хвойные имеют меньшую плотность, а следовательно, и меньшую теплопроводность. Превосходство по теплопроводности дерева над кирпичом очевидна, поскольку кирпичные стенки толщиной 510 мм (в два кирпича) обладают такими же термоизоляционными свойствами, как и стена из деревянного бруса толщиной 100 мм, а по стоимости эти материалы несравнимы. К тому же, деревянные стены "накапливают" тепло и распределяют его по всему помещению. В таком доме будет тепло даже в самый лютый мороз.

4. Звукопроводность – свойство дерева проводить звук. Звук в различных направлениях распространяется с неодинаковой интенсивностью. Звукопроводность древесины вдоль волокон в 4-5 раз выше, чем поперек волокон. Звукопроводность древесины несколько выше, чем у других материалов, что следует учитывать в жилищном строительстве, где необходима звукоизоляция перегородок, дверей и стен.

5. Электропроводность – это способность древесины проводить ток. Электропроводность древесины в основном зависит от ее влажности, породы, направления волокон и температуры. Древесина в сухом состоянии не проводит электрический ток, т. е. является диэлектриком, что позволяет применять ее в качестве изоляционного материала.

6. Усушка – это свойство древесины уменьшать свой общий объем вследствие испарения из неё влаги. Усушка прямо пропорциональна степени уменьшения влажности древесины. В различных направлениях древесина усыхает неодинаково. При уменьшении влажности от 30 до 0% усушка составляет следующие величины: вдоль волокон – 0,1%, по радиальному направлению – от 4 до 8%, по тангенциальному – от 8 до 12%.

7. Разбухание – процесс обратный усушке. Высокая гигроскопичность является причиной того, что древесина хорошо впитывает влагу, при этом она разбухает, увеличивается в объеме, в результате чего небольшие трещины исчезают. Избыток влаги в древесине ухудшает её физико-механические свойства. При сушке влага испаряется очень медленно. Повышенная влажность готового изделия приводит к изменению его геометрических размеров, короблению, что резко снижает её качество.

Механические и технологические свойства древесины.

Механические свойства древесины – прочность, твердость и ударная вязкость (см.табл.1). Эти свойства характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних сил (растяжению, изгибу, сдвигу и кручению).

Важно знать

Наиболее удобным материалом для строительства дома или коттеджа является древесина, так как её теплопроводность остается постоянной в широком интервале температур от -40 до +40 градусов. Но существуют и другие факторы, влияющие на проводимость тепла материалов, в том числе древесины. Например, влажность, от которой зависит в большей степени теплопроводность дерева.

Сосна — часто применяемая в строительстве древесина

Что такое показатель теплопроводности

В каждом доме наружная и внутренняя поверхности имеют разную температуру. От более теплого места к холодному поступает поток тепла и в различных материалах тепло передается с разной скоростью. Это зависит от особого свойства материалов, которое называется показателем теплопроводности.

Свойство материалов проводить теплоту от более горячего места к холодному путем беспорядочного движения атомов и молекул называется теплопроводностью. Тепло передается путем хаотичного столкновения данных частиц между собой.

При рассмотрении вопроса строительства зданий передача тепла, его потеря при условии ровных стен теплопроводностью считают не беспорядочный поток, а направленный. В этом случае берется в учет температура снаружи и внутри здания, а не на поверхности стены. Отсюда и рассчитывается теплопроводность дерева.

Теплопроводность древесины

Из древесины удобно строить дома, дачи и другие объекты разных размеров. Самым главным фактором является малая теплопроводность этого материала. Тепло лучше всего сохраняется в доме, построенном из кедра. После него идет ель, затем лиственница. Сосна больше всего проводит тепла, как и дуб.

Различие в структуре волокон древесины кедра, соны, ели в разрезе

Теплоизоляционные свойства древесины человеку известны издавна. В древнем мире люди применяли дерево для изготовления различных построек, кроватей, стульев и даже посуды. Сухая древесины почти не проводит тепло, так как внутренняя структура имеет много воздушных пор. Если прислонить руку к деревянной поверхности, то ощущается тепло. Это происходит по причине медленной отдачи энергии с тела человека.

Сегодня стало популярным покрытие полов в квартирах ламинатом. Но этот материал намного холоднее натурального дерева. Проводимость тепла древесиной во многом зависит от ее плотности. Чем она больше, тем лучше проводится тепло. Кроме того, важное значение имеют направление волокон древесины и влажность. С повышением содержания воды в дереве резко возрастает его теплопроводность.

Древесина как строительный материал

Древесина во все времена применялась в качестве строительного материала. Она уступает по массовости только камню. Химические свойства дерева довольно сложны, но люди с успехом использовали уникальные свойства этого материала для строительства.

Дерево широко применяется для постройки домов, лодок, домашней мебели. Большим достоинством древесины является то, что она является природным материалом. Это делает его экономически выгодным и доступным. Древесина обладает достаточной прочностью, обеспечивает необходимую теплоизоляцию.

Дерево легко поддается обработке, ее можно придать разные размеры и формы, чтобы создать любую конструкцию. Древесина относится к биологически разлагаемым, экологически устойчивым продуктам. У нее наиболее низкий след углерода, по сравнению с другими строительными материалами.

Для добычи древесины не нужны высокоэнергетические виды топлива, по сравнению с пластиком, железом или кирпичом. С течением времени дерево в природе постепенно возобновляется. При строительстве объектов древесина в сочетании с другими материалами обеспечивает длительный срок службы, огнестойкость, изоляцию от влаги, шума и холода.

Расположение волокон

Величина теплопроводности различается в зависимости от того, как расположены волокна. Каждый вид дерева имеет свой коэффициент теплопроводности вдоль волокон. Чаще всего он составляет величину 0.4. В сильные морозы древесина промерзает вдоль волокон намного сильнее, чем поперек. Это можно увидеть в промерзших углах деревянных домов.

Показатель теплопроводности древесины различается в зависимости от распила

Интересной особенностью обладает пробковое дерево. Оно имеет наименьший коэффициент проводимости тепла, по сравнению с другими породами деревьев. Но применять его для постройки домов и других сооружений нецелесообразно, так как пробка не обладает достаточной прочностью. Но для утепления помещений она подходит как нельзя лучше.

Ниже приведена таблица теплопроводности древесины в зависимости от влажности и расположения волокон.

При повышении влажности и плотности деревянного изделия увеличивается проведение тепла как поперек, так и вдоль волокон. В следующей таблице указаны величины теплопроводности дерева поперек волокон при разной влажности, отрицательных и положительных температурах.

Теплопроводность и другие свойства древесины разных пород деревьев

Если проанализировать данные из таблицы, то можно понять, что показатель проводимости тепла древесины меньше аналогичной характеристики других стеновых материалов. Только некоторые инновационные материалы могут соперничать с деревом.

Строительный материал	Плотность, кг/м3	Теплопроводность, Вт/(м * град)	Теплоемкость, Дж/(кг * град)
Береза	510 — 770	0.15	1250
Тополь	350 — 500	0.17	—
Сосна и ель поперек волокон	500	0.09	2300
Сосна смолистая 15 % влажности	600 — 750	0.15 — 0,23	2700
Липа, (15 % влажн.)	320 — 650	0.15	—
Дуб вдоль волокон	700	0.23	2300
Дуб поперек волокон	700	0.1	2300
Сосна и ель вдоль волокон	500	0.18	2300
Пихта	450 — 550	0.1 – 0.26	2700
Кедр	500 — 570	0.095	—
Клен	620 — 750	0.19	—
Лиственница	670	0.13	—

Большое влияние на проведение тепла оказывают влажность и плотность древесины. Кроме того, одна и та же порода может проявлять себя по-разному, в зависимости от региона произрастания. Поэтому в таблице можно увидеть несколько параметров для одного вида дерева.

Ель и пихта тоже будут неплохим выбором для постройки теплого дома. Однако, пихта не должна содержать много смолы, которая намного снижает сохранение тепла.

Плотность хвойных пород деревьев во многом зависит от региона произрастания, что влияет на теплопроводность древесины. Например, славится астраханская сосна, из которой делают мачты. В Вологодской области строители чаще выбирают не сосну, а ель.

При строительстве часто в расчет берут среднее значение теплопроводности по древесине сосны – 0.15 Вт на м*С. На самом деле, если взять сухое дерево, то для ели, сосны и пихты коэффициент теплопроводности равен 0.13, а для кедра не более 0.1. Примерно такие же характеристики имеют газосиликатные блоки, которые изготавливаются в автоклавах.

Толщина стены из дерева

Если взять в расчет коэффициент теплопроводности 0.13 для средней полосы России, то стены домов необходимо делать толщиной 0.11 х 3 = 0.33 метра. Отсюда и берется среднее значение толщины стены из сосновой древесины. Это норматив для условий сбережения тепла и энергетических запасов.

Все привыкли в доме видеть стены плоскими и ровными. Из физики известно, что тепло передается через беспорядочное движение частиц. Но, когда стена ровная, то теплота передается прямолинейно и направленно от места с большим нагревом к меньшему.

Но, кроме толщины стены, большую роль играет температура в помещении. Также может получиться, что постройка теплого дома получится экономически невыгодным. Ведь расходы на его последующий ремонт могут оказаться слишком велики и не покроют стоимость отопления.

Особенности конструкций из древесины

Чаще всего для строительства теплого дома, коттеджа или дачи применяют брус со стандартным сечением 150х150 мм. Он выполнен из хвойных пород деревьев, которые обладают правильным отношением стоимости и теплопроводности.

Стена должна иметь толщину 450 мм, чтобы сохранить нужное количество тепла, а брус имеет размер всего 150 мм.

Вопрос в том, что при строительстве, кроме древесины применяются и другие новые материалы. Ведь чисто деревянный дом получится очень дорогим. Наиболее выгодно будет сделать тонкие деревянные стены, а потом утеплить их синтетическими материалами.

Особенно это подойдет для северных регионов России, где морозы могут достигать -50 градусов. Кроме отличного сохранения тепла, дерево имеет и другие важные свойства, которые отсутствуют у кирпича, камня или бетона. Например, упругость, износостойкость, удобство обработки.

К теплофизическим свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Теплоемкость- представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы материала на на 1 °С. Удельная теплоемкость измеряется в кДж/(кг°С). Процессы распространения (переноса) тепла в материале характеризуются - коэффициентами теплопроводности и температуропроводности. Первый из них входит в уравнение стационарного теплообмена

устанавливающее связь между количеством теплоты Q, распространяющейся внутри тела, и площадью сечения F, перпендикулярного тепловому потоку, временем т, перепадом температур At на двух изотермических поверхностях, а также расстоянием между ними Ах. Коэффициент теплопроводности X численно равен количеству теплоты, проходящей в единицу времени через стенку из данного материала площадью 1 м 2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °С. Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м-°С). Второй из указанных выше показателей, характеризует скорость изменения температуры материала при нестационарном теплообмене (нагревании или охлаждении). Коэффициент температуропроводности а определяет инерционность материала, т. е. его способность выравнивать температуру. Показатель а, м 2 /с, численно равен отношению коэффициента теплопроводности к теплоемкости единицы объема материала:

где р - плотность, кг/м 3 . Экспериментально удельную теплоемкость материала определяют калориметрами.

Теплоемкость древесины.Сухая древесина представляет собой двухфазную систему, включающую в себя древесинное вещество и воздух. Однако доля воздуха (по массе) в древесине крайне мала, и теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесинного вещества. Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и по современным данным при О°С для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж/кг°С. С повышением температуры удельная теплоемкость древесины несколько возрастает по линейному закону и при 100 °С увеличивается примерно на 25 %. Значительно сильнее влияет на теплоемкость увлажнение древесины. Например, увеличение влажности древесины от 0 до 130 % приводит к повышению теплоемкости примерно в 2 раза. Теплопроводность древесины. На способность древесины проводить тепло оказывает влияние ее плотность. Ловецкий рассчитал коэффициент теплопроводности древесинного вещества, рассматривая древесину как набор пустотелых стержней прямоугольного сечения и используя экспериментальные данные о теплопроводности древесины березы. Увеличение плотности сухой древесины, приводит к возрастанию теплопроводности древесины. Это объясняется тем, что древесинное вещество имеет примерно в 20 раз больший коэффициент теплопроводности, чем воздух. Можно рассчитать теплопроводность древесинного вещества по теплопроводности древесины, вдоль волокон, полагая, что тепло передается параллельно по клеточным стенкам и воздуху, заключенному в полостях клеток. Поскольку микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль оси клеток, теплопроводность в этом направлении примерно в 1,5-2 раза выше, чем в поперечном направлении. Поздняя древесина, особенно у хвойных пород, более плотная, чем ранняя. Увеличению теплопроводности в радиальном направлении способствуют сердцевинные лучи с преимущественным расположением микрофибрилл вдоль длины луча. Повышение температуры влажной древесины приводит к еще большему увеличению теплопроводности.

Температуропроводность древесины.Увеличение содержания свободной воды (W > W_n _и) приводит к резкому падению температуропроводности, потому, что воздух в полостях клеток замещается водой, имеющей примерно в 150 раз меньший коэффициент температуропроводности. Влияние влажности на величину а практически не наблюдается. Это объясняется тем, что воздуха в клеточных стенках почти нет, и влажная клеточная стенка состоит из двух фаз - древесинного вещества и воды, коэффициенты температуропроводности которых довольно близки.

Тепловое расширение древесины.При нагревании твердых материалов происходит увеличение их объема. Коэффициент линейного теплового расширения а представляет собой изменение единицы длины тела при нагревании его на 1 °С. Наименьший коэффициент линейного расширения в направлении вдоль волокон. Тепловое расширение поперек волокон значительно больше, причем в тангенциальном направлении оно обычно в 1,5-1,8 раза выше, чем в радиальном. Коэффициент линейного расширения вдоль волокон древесины составляет 1/3 - 1/10 коэффициентов теплового расширения металлов, бетона и стекла. При нагревании влажной древесины вызванного повышением температуры, одновременно происходит значительно большая влажностная деформация. Изменение влажности на 1 % в области ниже W_n „ вызывает деформацию в десятки раз большую, чем изменение температуры на 1 °С, Таким образом, усушка и разбухание маскируют чисто температурные деформации древесины поперек волокон. Если повышается температура свежесрубленной древесины, находящейся в воде, то при первом нагреве происходит увеличение размеров в тангенциальном направлении и сокращение их в радиальном. При последующих нагреваниях наблюдается некоторое уменьшение размеров в обоих направлениях. Причина увеличения деформации при первом нагреве, очевидно, заключается в снятии внутренних напряжений роста. В растущем дереве в тангенциальном направлении действуют сжимающие напряжения, поэтому при снятии их обнаруживается удлинение образца в этом направлении. В радиальном направлении происходит обратное явление.

№20

где р - плотность, кг/м 3 . Экспериментально удельную теплоемкость материала определяют калориметрами.

Читайте также: