Коэффициент теплоотдачи материалов таблица: Козырьки и навесы. Наружные и внутренние лестницы. Комплектующие

Коэффициент теплоотдачи, формула и примеры

Определение и формула коэффициента теплоотдачи

Конвективный теплообмен — обмен теплотой между частями жидкости (газа), имеющими разную температуру или между жидкостью (газом) и твердым телом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом называют теплоотдачей.

Этот коэффициент часто используют в гидроаэродинамике, когда исследуют конвективный теплообмен. Часто ее обозначают буквой . Коэффициент равен:

   

где — плотность теплового потока, — температурный напор. Величина q — это количество теплоты, которое передается через единичную площадь поверхности тела в единицу времени. находят как модуль разности температур жидкости и поверхности тела. Иногда температурный напор находят, например, в случае обтекания тела потоком сжимаемой жидкостью, считают равным модулю разности температуры жидкости далеко от тела и температурой поверхности тела, которая была бы в отсутствии теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока носителя тепла, вида течения, какова геометрия поверхности твердого тела и т.д. Это сложная величина и ее невозможно определить общей формулой. Обычно коэффициент теплоотдачи находят экспериментально.

Так, для условий свободной конвекции воздуха: (Вт/м²К), воды: (Вт/м²К). При вынужденной конвекции величины коэффициента теплоотдачи колеблются в пределах: для воздуха: (Вт/м²К), для воды: (Вт/м²К).

Формула Ньютона-Рихмана

Коэффициент теплоотдачи входит в выражение для потока тепла в веществе жидкой или газообразной среды с интенсивным изменением температуры при увеличении расстояния от охлаждаемого или нагреваемого объекта:

   

где — количество теплоты, которая отводится от поверхности, имеющую площадь S, — температура вещества (жидкости, газа), — температура поверхности тела. Выражение (2) называется формулой Ньютона — Рихмана.

Так как интенсивность теплообмена может изменяться при передвижении вдоль площади соприкосновения жидкого носителя с поверхностью твердого тела, вводят местный коэффициент теплоотдачи, который равен:

   

На практике чаще применяют средний коэффициент теплоотдачи , вычисляя его по формуле:

   

где температуры берут средние для поверхности и для вещества.

Дифференциальное уравнение теплоотдачи

Дифференциальное уравнение теплоотдачи показывает связь между коэффициентом теплоотдачи и полем температур среды (жидкости или газа):

   

где , — градиент температуры, индекс n=0 значит то, что градиент берут на стенке.

Критерий Нуссельта

Критерий Нуссельта () является характеристикой теплообмена на границе между жидкостью и стеной:

   

где — характерный линейный размер, — коэффициент теплопроводности жидкости. Для стационарного процесса критерий Нуссельта находят, используя критериальное уравнение конвективного теплообмена:

   

где постоянные. — критерий Рейнольдса, — критерий Прандтля, — критерий Грасгофа.

Коэффициент теплоотдачи и его связь с коэффициентом теплопередачи

Коэффициентом теплопередачи через плоскую стенку связан с коэффициентами теплоотдачи выражением:

   

где — коэффициент теплоотдачи от первой среды к стенке, — коэффициент теплоотдачи от стенки ко второй среде, — толщина стенки, — коэффициент теплопроводности стенки.

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента теплоотдачи в системе СИ является:

=Вт/м²К

Примеры решения задач

Коэффициент теплового сопротивления материалов. Сравнение теплопроводности строительных материалов

Термин «теплопроводность» применяется к свойствам материалов пропускать тепловую энергию от горячих участков к холодным. Теплопроводность основана на движении частиц внутри веществ и материалов. Способность передавать энергию тепла в количественном измерении – это коэффициент теплопроводности. Круговорот тепловой энергопередачи, или тепловой обмен, может проходить в любых веществах с неравнозначным размещением разных температурных участков, но коэффициент теплопроводности зависим от давления и температуры в самом материале, а также от его состояния – газообразного, жидкого или твердого.

Физически теплопроводность материалов равняется количеству тепла, которое перетекает через однородный предмет установленных габаритов и площади за определенный временной отрезок при установленной температурной разнице (1 К). В системе СИ единичный показатель, который имеет коэффициент теплопроводности, принято измерять в Вт/(м К).

Как рассчитать теплопроводность по закону Фурье

В заданном тепловом режиме плотность потока при передаче тепла прямо пропорциональна вектору максимального увеличения температуры, параметры которой изменяются от одного участка к другим, и по модулю с одинаковой скоростью увеличения температуры по направлению вектора:

q → = − ϰ х grad х (T), где:

• q → – направление плотности предмета, передающего тепло, или объем теплового потока, который протекает по участку за заданную временную единицу через определенную площадь, перпендикулярный всем осям;
• ϰ – удельный коэффициент теплопроводности материала;
• T – температура материала.

При применении закона Фурье не принимают во внимание инерционность перетекания тепловой энергии, а это значит, что имеется в виду мгновенная передача тепла из любой точки на любое расстояние. Поэтому формулу нельзя использовать для расчетов передачи тепла при протекании процессов, имеющих высокую частоту повторения. Это ультразвуковое излучение, передача тепловой энергии волнами ударного или импульсного типа и т.д. Существует решение по закону Фурье с релаксационным членом:

τ х ∂ q / ∂ t = − (q + ϰ х ∇T) .

Если ре­лак­са­ция τ мгновенная, то формула превращается в закон Фурье.

Ориентировочная таблица теплопроводности материалов:

Основа	Значение теплопроводности, Вт/(м К)
Жесткий графен	4840 + / – 440 – 5300 + / – 480
Алмаз	1001-2600
Графит	278,4-2435
Бора арсенид	200-2000
SiC	490
Ag	430
Cu	401
BeO	370
Au	320
Al	202-236
AlN	200
BN	180
Si	150
Cu 3 Zn 2	97-111
Cr	107
Fe	92
Pt	70
Sn	67
ZnO	54
Черная сталь	47-58
Pb	35,3
Нержавейка	Теплопроводность стали – 15
SiO2	8
Высококачественные термостойкие пасты	5-12
Гранит (состоит из SiO 2 68-73 %; Al 2 O 3 12,0-15,5 %; Na 2 O 3,0-6,0 %; CaO 1,5-4,0 %; FeO 0,5-3,0 %; Fe 2 O 3 0,5-2,5 %; К 2 О 0,5-3,0 %; MgO 0,1-1,5 %; TiO 2 0,1-0,6 %)	2,4
Бетонный раствор без заполнителей	1,75
Бетонный раствор со щебнем или с гравием	1,51
Базальт (состоит из SiO 2 – 47-52%, TiO 2 – 1-2,5%, Al2O 3 – 14-18%, Fe 2 O 3 – 2-5%, FeO – 6-10%, MnO – 0,1-0,2%, MgO – 5-7%, CaO – 6-12%, Na 2 O – 1,5-3%, K 2 O – 0,1-1,5%, P 2 O 5 – 0,2-0,5 %)	1,3
Стекло (состоит из SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , TeO 2 , GeO 2 , AlF 3 и т.д.)	1-1,15
Термостойкая паста КПТ-8	0,7
Бетонный раствор с наполнителем из песка, без щебня или гравия	0,7
Вода чистая	0,6
Силикатный или красный кирпич	0,2-0,7
Масла на основе силикона	0,16
Пенобетон	0,05-0,3
Газобетон	0,1-0,3
Дерево	Теплопроводность дерева – 0,15
Масла на основе нефти	0,125
Снег	0,10-0,15
ПП с группой горючести Г1	0,039-0,051
ЭППУ с группой горючести Г3, Г4	0,03-0,033
Стеклянная вата	0,032-0,041
Вата каменная	0,035-0,04
Воздушная атмосфера (300 К, 100 кПа)	0,022
Гель на основе воздуха	0,017
Аргон (Ar)	0,017
Вакуумная среда	0

Приведенная таблица теплопроводности учитывает теплопередачу посредством теплового излучения и теплообмена частиц. Так как вакуум не передает тепло, то оно перетекает при помощи солнечного излучения или другого типа генерации тепла. В газовой или жидкой среде слои с разной температурой смешиваются искусственно или естественным способом.

Проводя расчет теплопроводности стены, необходимо принимать во внимание, что теплопередача сквозь стеновые поверхности меняется от того, что температура в здании и на улице всегда разная, и зависит от площади всех поверхностей дома и от теплопроводности стройматериалов.

Чтобы количественно оценить теплопроводность, ввели такое значение, как коэффициент теплопроводности материалов. Он показывает, как тот или иной материал способен передавать тепло. Чем выше это значение, например, коэффициент теплопроводности стали, тем эффективнее сталь будет проводить тепло.

• При утеплении дома из древесины рекомендуется выбирать стройматериалы с низким коэффициентом.
• Если стена кирпичная, то при значении коэффициента 0,67 Вт/(м2 К) и толщине стены 1 м при ее площади 1 м 2 при разнице наружной и внутридомовой температуры 1 0 С кирпич будет пропускать 0,67 Вт энергии. При разнице температур 10 0 С кирпич будет пропускать 6,7 Вт и т.д.

Стандартное значение коэффициента теплопроводимости теплоизоляции и других строительных материалов верно для толщины стены 1 м. Чтобы провести расчет теплопроводности поверхности другой толщины, следует коэффициент поделить на выбранное значение толщины стены (метры).

В СНиП и при проведении расчетов фигурирует термин «тепловое сопротивление материала», он означает обратную теплопроводность. То есть при теплопроводности листа пенопласта 10 см и его теплопроводности 0,35 Вт/(м 2 К) тепловое сопротивление листа – 1 / 0,35 Вт/(м 2 К) = 2,85 (м 2 К)/Вт.

Ниже – таблица теплопроводности для востребованных строительных материалов и теплоизоляторов:

Стройматериалы	Коэффициент теплопроводимости, Вт/(м 2 К)
Плиты из алебастра	0,47
Al	230
Шифер асбоцементный	0,35
Асбест (волокно, ткань)	0,15
Асбоцемент	1,76
Асбоцементные изделия	0,35
Асфальт	0,73
Асфальт для напольного покрытия	0,84
Бакелит	0,24
Бетон с заполнителем щебнем	1,3
Бетон с заполнителем песком	0,7
Пористый бетон – пено- и газобетон	1,4
Сплошной бетон	1,75
Термоизоляционный бетон	0,18
Битумная масса	0,47
Бумажные материалы	0,14
Рыхлая минвата	0,046
Тяжелая минвата	0,05
Вата – теплоизолятор на основе хлопка	0,05
Вермикулит в плитах или листах	0,1
Войлок	0,046
Гипс	0,35
Глиноземы	2,33
Гравийный заполнитель	0,93
Гранитный или базальтовый заполнитель	3,5
Влажный грунт, 10%	1,75
Влажный грунт, 20%	2,1
Песчаники	1,16
Сухая почва	0,4
Уплотненный грунт	1,05
Гудроновая масса	0,3
Доска строительная	0,15
Фанерные листы	0,15
Твердые породы дерева	0,2
ДСП	0,2
Дюралюминиевые изделия	160
Железобетонные изделия	1,72
Зола	0,15
Известняковые блоки	1,71
Раствор на песке и извести	0,87
Смола вспененная	0,037
Природный камень	1,4
Картонные листы из нескольких слоев	0,14
Каучук пористый	0,035
Каучук	0,042
Каучук с фтором	0,053
Керамзитобетонные блоки	0,22
Красный кирпич	0,13
Пустотелый кирпич	0,44
Полнотелый кирпич	0,81
Сплошной кирпич	0,67
Шлакокирпич	0,58
Плиты на основе кремнезема	0,07
Латунные изделия	110
Лед при температуре 0 0 С	2,21
Лед при температуре -20 0 С	2,44
Лиственное дерево при влажности 15%	0,15
Медные изделия	380
Мипора	0,086
Опилки для засыпки	0,096
Сухие опилки	0,064
ПВХ	0,19
Пенобетон	0,3
Пенопласт марки ПС-1	0,036
Пенопласт марки ПС-4	0,04
Пенопласт марки ПХВ-1	0,05
Пенопласт марки ФРП	0,044
ППУ марки ПС-Б	0,04
ППУ марки ПС-БС	0,04
Лист из пенополиуретана	0,034
Панель из пенополиуретана	0,024
Облегченное пеностекло	0,06
Тяжелое вспененное стекло	0,08
Пергаминовые изделия	0,16
Перлитовые изделия	0,051
Плиты на цементе и перлите	0,085
Влажный песок 0%	0,33
Влажный песок 0%	0,97
Влажный песок 20%	1,33
Обожженный камень	1,52
Керамическая плитка	1,03
Плитка марки ПМТБ-2	0,035
Полистирол	0,081
Поролон	0,04
Раствор на основе цемента без песка	0,47
Плита из натуральной пробки	0,042
Легкие листы из натуральной пробки	0,034
Тяжелые листы из натуральной пробки	0,05
Резиновые изделия	0,15
Рубероид	0,17
Сланец	2,100
Снег	1,5
Хвойная древесина влажностью 15%	0,15
Хвойная смолистая древесина влажностью 15%	0,23
Стальные изделия	52
Стеклянные изделия	1,15
Утеплитель стекловата	0,05
Стекловолоконные утеплители	0,034
Стеклотекстолитовые изделия	0,31
Стружка	0,13
Тефлоновое покрытие	0,26
Толь	0,24
Плита на основе цементного раствора	1,93
Цементно-песчаный раствор	1,24
Чугунные изделия	57
Шлак в гранулах	0,14
Шлак зольный	0,3
Шлакобетонные блоки	0,65
Сухие штукатурные смеси	0,22
Штукатурный раствор на основе цемента	0,95
Эбонитовые изделия	0,15

Кроме того, необходимо учитывать теплопроводность утеплителей из-за их струйных тепловых потоков. В плотной среде возможно «переливание» квазичастиц из одного нагретого стройматериала в другой, более холодный или более теплый, через поры субмикронных размеров, что помогает распространять звук и тепло, даже если в этих порах будет абсолютный вакуум.

Отправим материал вам на e-mail

Любые строительные работы начинаются с создания проекта. При этом планируется как расположение комнат в здании, так и рассчитываются главные теплотехнические показатели. От данных значений зависит, насколько будущая постройка будет теплой, долговечной и экономичной. Позволит определить теплопроводность строительных материалов – таблица, в которой отображены основные коэффициенты. Правильные расчеты являются гарантией удачного строительства и создания благоприятного микроклимата в помещении.

Чтобы дом был теплым без утеплителя потребуется определенная толщина стен, которая отличается в зависимости от вида материала

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

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.

Поэтому при возведении постройки стоит использовать дополнительные материалы. При этом значение имеет теплопроводность строительных материалов, таблица показывает все значения.

Полезная информация! Для построек из древесины и пенобетона не обязательно использовать дополнительное утепление. Даже применяя низкопроводной материал, толщина сооружения не должна быть менее 50 см.

Особенности теплопроводности готового строения

Планируя проект будущего дома, нужно обязательно учесть возможные потери тепловой энергии. Большая часть тепла уходит через двери, окна, стены, крышу и полы.

Если не выполнять расчеты по теплосбережению дома, то в помещении будет прохладно. Рекомендуется постройки из , бетона и камня дополнительно утеплять.

Полезный совет! Перед тем как утеплять жилище, необходимо продумать качественную гидроизоляцию. При этом даже повышенная влажность не повлияет на особенности теплоизоляции в помещении.

Разновидности утепления конструкций

Теплое здание получится при оптимальном сочетании конструкции из прочных материалов и качественного теплоизолирующего слоя. К подобным сооружениям можно отнести следующие:

• здание из стандартных материалов: шлакоблоков или кирпича. При этом утепление часто проводится по наружной стороне.

Как определить коэффициенты теплопроводности строительных материалов: таблица

Помогает определить коэффициент теплопроводности строительных материалов – таблица. В ней собраны все значения самых распространенных материалов. Используя подобные данные, можно рассчитать толщину стен и используемый утеплитель. Таблица значений теплопроводности:

Чтобы определить величину теплопроводности используются специальные ГОСТы. Значение данного показателя отличается в зависимости от вида бетона. Если материал имеет показатель 1,75, то пористый состав обладает значением 1,4. Если раствор выполнен с применением каменного щебня, то его значение 1,3.

Потери через потолочные конструкции значительны для проживающих на последних этажах. К слабым участкам относится пространство между перекрытиями и стеной. Подобные участки считаются мостиками холода. Если над квартирой присутствует технический этаж, то при этом потери тепловой энергии меньше.

На верхнем этаже производится снаружи. Также потолок можно утеплить внутри квартиры. Для этого применяется пенополистирол или теплоизоляционные плиты.

Прежде чем утеплять любые поверхности, стоит узнать теплопроводность строительных материалов, таблица СНиПа поможет в этом. Утеплять напольное покрытие не так сложно как другие поверхности. В качестве утепляющих материалов применяются такие материалы как керамзит, стекловата ил пенополистирол.

Прочный и теплый дом – это основное требование, которое предъявляется проектировщикам и строителям. Поэтому еще на стадии проектирования зданий в конструкцию закладываются две разновидности стройматериалов: конструкционные и теплоизоляционные. Первые обладают повышенной прочностью, но большой теплопроводностью, и именно их чаще всего и используют для возведения стен, перекрытий, оснований и фундаментов. Вторые – это материалы с низкой теплопроводностью. Их основное назначение – закрыть собой конструкционные материалы, чтобы понизить их показатель тепловой проводимости. Поэтому для облегчения расчетов и выбора используется таблица теплопроводности строительных материалов.

Читайте в статье:

Что такое теплопроводность

Законы физики определяют один постулат, который гласит, что тепловая энергия стремится от среды с высокой температурой к среде с низкой температурой. При этом, проходя через строительный материал, тепловая энергия затрачивает какое-то время. Переход не состоится лишь в том случае, если температура на разных сторонах от стройматериала одинаковая.

То есть, получается так, что процесс перехода тепловой энергии, к примеру, через стену, это время проникновения тепла. И чем больше времени на это затрачивается, тем ниже теплопроводность стены. Вот такое соотношение. К примеру, теплопроводность различных материалов:

• бетон –1,51 Вт/м×К;
• кирпич – 0,56;
• древесина – 0,09-0,1;
• песок – 0,35;
• керамзит – 0,1;
• сталь – 58.

Чтобы было понятно, о чем идет речь, надо обозначить, что бетонная конструкции не будет ни под каким предлогом пропускать через себя тепловую энергию, если ее толщина будет в пределах 6 м. Понятно, что это просто невозможно в домостроении. А значит, придется для снижения теплопроводности использовать другие материалы, у которых показатель ниже. И ими облицовывать бетонное сооружение.

Что такое коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплоотдачи или теплопроводности материалов, который также обозначен в таблицах, это характеристика тепловой проводимости. Он обозначает количество тепловой энергии, проходящий через толщу стройматериала за определенный промежуток времени.

В принципе, коэффициент обозначает именно количественный показатель. И чем он меньше, тем теплопроводность материала лучше. Из сравнения выше видно, что стальные профили и конструкции обладают самым высоким коэффициентом. А значит, они практически не держат тепло. Из строительных материалов,сдерживающих тепло, которые используются для сооружения несущих конструкций, это древесина.

Но надо обозначить и другой момент. К примеру, все та же сталь. Этот прочный материал используют для отведения тепла, где есть необходимость сделать быстрый перенос. К примеру, радиаторы отопления. То есть, высокий показатель теплопроводности – это не всегда плохо.

Что влияет на теплопроводность строительных материалов

Есть несколько параметров, которые сильно влияют на тепловую проводимость.

1. Структура самого материала.
2. Его плотность и влажность.

Что касается структуры, то здесь огромное разнообразие: однородная плотная, волокнистая, пористая, конгломератная (бетон), рыхлозернистая и прочее. Так вот надо обозначить, что чем неоднороднее структура у материала, тем ниже у него теплопроводность. Все дело в том, что проходить сквозь вещество, в котором большой объем занимают поры разного размера, тем сложнее энергии через нее перемещаться. А ведь в данном случае тепловая энергия – это излучение. То есть, оно не проходит равномерно, а начинает изменять направления, теряя силу внутри материала.

Теперь о плотности. Этот параметр обозначает, на каком расстоянии между собой располагаются частички материала внутри его самого. Исходя из предыдущей позиции, можно сделать вывод: чем меньше это расстояние, а значит, больше плотность, тем тепловая проводимость выше. И наоборот. Тот же пористый материал имеет плотность меньше, чем однородный.

Влажность – это вода, которая имеет плотную структуру. И ее теплопроводность равна 0,6 Вт/м*К. Достаточно высокий показатель, сравнимый с коэффициентом теплопроводности кирпича. Поэтому когда она начинает проникать в структуру материала и заполнять собой поры, это увеличение тепловой проводимости.

Коэффициент теплопроводности строительных материалов: как применяется на практике и таблица

Практические значение коэффициента – это правильно проведенный расчет толщины несущих конструкций с учетом используемых утеплителей. Необходимо отметить, что возводимое здание – это несколько ограждающих конструкций, через которые происходит утечка тепла. И у каждой их них свой процент теплопотерь.

• через стены уходит до 30% тепловой энергии общего расхода.
• Через полы – 10%.
• Через окна и двери – 20%.
• Через крышу – 30%.

То есть, получается так, что если неправильно рассчитать теплопроводность всех ограждений, то проживающим в таком доме людям придется довольствоваться лишь 10% тепловой энергии, которое выделяет отопительная система. 90% – это, как говорят, выброшенные на ветер деньги.

Мнение эксперта

Инженер-проектировщик ОВиК (отопление, вентиляция и кондиционирование) ООО «АСП Северо-Запад»

Спросить у специалиста

“Идеальный дом должен быть построен из теплоизоляционных материалов, в котором все 100% тепла будут оставаться внутри. Но по таблице теплопроводности материалов и утеплителей вы не найдете тот идеальный стройматериал, из которого можно было бы возвести такое сооружение. Потому что пористая структура – это низкие несущие способности конструкции. Исключением может быть древесина, но и она не идеал.”

Поэтому при строительстве домов стараются использовать разные строительные материалы, дополняющие друг друга по теплопроводности. При этом очень важно соотносить толщину каждого элемента в общей строительной конструкции. В этом плане идеальным домом можно считать каркасный. У него деревянная основа, уже можно говорить о теплом доме, и утеплители, которые закладываются между элементами каркасной постройки. Конечно, с учетом средней температуры региона придется точно рассчитать толщину стен и других ограждающих элементов. Но, как показывает практика, вносимые изменения не столь значительны, чтобы можно было бы говорить о больших капитальных вложениях.

Рассмотрим несколько часто используемых строительных материалов и проведем сравнение их теплопроводность по толщине.

Теплопроводность кирпича: таблица по разновидностям

Фото	Вид кирпича	Теплопроводность, Вт/м*К
	Керамический полнотелый	0,5-0,8
	Керамический щелевой	0,34-0,43
	Поризованный	0,22
	Силикатный полнотелый	0,7-0,8
	Силикатный щелевой	0,4
	Клинкерный	0,8-0,9

Теплопроводность дерева: таблица по породам

Коэффициент теплопроводности пробкового дерева самый низкий из всех пород древесины. Именно пробка часто используется в качестве теплоизоляционного материала при проведении утеплительных мероприятий.

Теплопроводность металлов: таблица

Данный показатель у металлов изменяется с изменением температуры, в которой они применяются. И здесь соотношение такое – чем выше температура, тем ниже коэффициент. В таблице покажем металлы, которые используются в строительной сфере.

Теперь, что касается соотношения с температурой.

• У алюминия при температуре -100°С теплопроводность составляет 245 Вт/м*К. А при температуре 0°С – 238. При +100°С – 230, при +700°С – 0,9.
• У меди: при -100°С –405, при 0°С – 385, при +100°С – 380, а при +700°С – 350.

Таблица теплопроводности других материалов

В основном нас будет интересовать таблица теплопроводности изоляционных материалов. Необходимо отметить, что если у металлов данный параметр зависит от температуры, то у утеплителей от их плотности. Поэтому в таблице будут расставлены показатели с учетом плотности материалом.

Теплоизоляционный материал	Плотность, кг/м³	Теплопроводность, Вт/м*К
Минеральная вата (базальтовая)	50	0,048
	100	0,056
	200	0,07
Стекловата	155	0,041
	200	0,044
Пенополистирол	40	0,038
	100	0,041
	150	0,05
Пенополистирол экструдированный	33	0,031
Пенополиуретан	32	0,023
	40	0,029
	60	0,035
	80	0,041

И таблица теплоизоляционных свойств строительных материалов. Основные из них уже рассмотрены, обозначим те, которые в таблицы не вошли, и которые относятся к категории часто используемых.

Строительный материал	Плотность, кг/м³	Теплопроводность, Вт/м*К
Бетон	2400	1,51
Железобетон	2500	1,69
Керамзитобетон	500	0,14
Керамзитобетон	1800	0,66
Пенобетон	300	0,08
Пеностекло	400	0,11

Коэффициент теплопроводности воздушной прослойки

Всем известно, что воздух, если его оставить внутри строительного материала или между слоями стройматериалов, это великолепный утеплитель. Почему так происходит, ведь сам воздух, как таковой, не может сдерживать тепло. Для этого надо рассмотреть саму воздушную прослойку, огражденную двумя слоями стройматериалов. Один из них соприкасается с зоной положительных температур, другой с зоной отрицательный.

Тепловая энергия движется от плюса к минусу, и встречает на своем пути слой воздуха. Что происходит внутри:

1. Конвекция теплого воздуха внутри прослойки.
2. Тепловое излучение от материала с плюсовой температурой.

Поэтому сам тепловой поток – это сумма двух факторов с добавлением теплопроводности первого материала. Необходимо сразу отметить, что излучение занимает большую часть теплового потока. Сегодня все расчеты теплосопротивления стен и других несущих ограждающих конструкций проводят на онлайн-калькуляторах. Что касается воздушной прослойки, то такие расчеты провести сложно, поэтому берутся значения, которые в 50-х годах прошлого столетия были получены лабораторными исследованиями.

В них четко оговаривается, что если разница температур стен, ограниченных воздухом, составляет 5°С, то излучение возрастает с 60% до 80%, если увеличить толщину прослойки с 10 до 200 мм. То есть, общий объем теплового потока остается тот же, излучение вырастает, а значит, теплопроводность стены падает. И разница значительная: с 38% до 2%. Правда, возрастает конвекция с 2% до 28%. Но так как пространство замкнутое, то движение воздуха внутри него никак не действует на внешние факторы.

Расчет толщины стены по теплопроводности вручную по формулам или калькулятором

Рассчитать толщину стены не так просто. Для этого нужно сложить все коэффициенты теплопроводности материалов, которые были использованы для сооружения стены. К примеру, кирпич, штукатурный раствор снаружи, плюс наружная облицовка, если такая будет использоваться. Внутренние выравнивающие материалы, это может быть все та же штукатурка или гипсокартонные листы, другие плитные или панельные покрытия. Если есть воздушная прослойка, то учитывают и ее.

Есть так называемая удельная теплопроводность по регионам, которую берут за основу. Так вот расчетная величина не должна быть больше удельной. В таблице ниже по городам дана удельная тепловая проводимость.

То есть, чем южнее, тем общая теплопроводность материалов должна быть меньше. Соответственно, можно уменьшать и толщину стены. Что касается онлайн-калькулятора, то предлагаем ниже посмотреть видео, на котором разбирается, как правильно пользоваться таким расчетным сервисом.

Если у вас возникли вопросы, на которые, как вам показалось, вы не нашли ответы в этой статье, пишите их в комментариях. Наша редакция постарается на них ответить.

Теплопроводность строительных материалов (таблица ее значений будет приведена в статье ниже) – это очень важный критерий, на который категорически нужно обращать внимание, во время такого этапа организации строительных работ, как: закупка сырья.

Этот показатель следует учитывать не только при возведении какого-либо объекта с нуля, а и при ремонтных работах, включающих в себя установку стен (как внешних, так и внутренних).

В основном, от теплопроводности выбранных материалов, зависит будущий уровень комфорта внутри помещения. Однако, данный критерий влияет и на некоторые технические показатели, о чем можно узнать более детально в этой статье.

Теплопроводность – определение

Перед тем, как определять коэффициент теплопроводности того, или иного материала, важно заранее знать: а что вообще представляет из себя данный термин.

Как правило, под определением «теплопроводность», принято понимать уровень теплообмена определенного материала, выраженный в ваттах/метр кельвина.

Более простым языком, данный коэффициент показывает способность получения материалом энергии от более нагретых тел, и уровень отдачи его энергии телам, с пониженной температурой. Как правило, этот показатель рассчитывается по одной, из двух основных формул: q = x*grad(T) или P=-x*.

Что влияет на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности каждого строительного материала определяется строго индивидуально, на что следует обратить особое внимание, и зависит он от нескольких основных критериев:

• плотности;
• уровня пористости;
• строения и формы пор;
• природной температуры;
• уровня влажности;
• химической структуры (атомной группы).

К примеру, при наличии в структуре материала большого количества мелких пор, замкнутого типа, его уровень теплопроводности существенно понизится. Однако, при варианте с крупными порами, данный коэффициент будет наоборот повышен, за счет возникновения в порах конвективных воздушных потоков.

Таблица

Как было сказано ранее: каждый строительный материал имеет индивидуальный коэффициент теплопроводности, который рассчитывается исходя из некоторых характерных критериев.

Для более ясной картины, приведем в таблице примеры теплопроводности некоторых, самых распространенных материалов, используемых в строительстве:

Материал	Плотность (кг*м3)	Теплопроводность (Вт\(м*К))
Железобетон	2500	1,69
Бетон	2400	1,51
Керамзитобетон	1800	0,66
Пенобетон	1000	0,29
Минеральная вата	От 50 до 200	От 0,04 до 0,07 соответственно
Пенополистирол	От 33 до 150	От 0,03 до 0,05 соответственно
	От 30 до 80	От 0,02 до 0,04 соответственно
Керамзит	800	0,18
Пеностекло	400	0,11

Разновидности утепления конструкций

Вермикулит

Подбор материала для утепления любой конструкции, в первую очередь осуществляется исходя из ее типа: наружная или внутренняя. В первом варианте, в качестве утеплителя хорошо подойдут вещества, не поддающиеся воздействию погодных условий, и других внешних факторов, а именно:

• керамзит;
• перлитовый щебень.

Для большего эффекта, утеплитель можно наносить в два слоя, где вышеперечисленные материалы будут считаться защитным слоем, а в качестве основы, вполне смогут выступить:

• пенопласт;
• пеноизол;
• пенополистирол;
• пенополиуретан.

Пеноизол

Что же касается исключительно внутреннего варианта утепления конструкций, то для этого вполне сгодятся такие материалы:

• минеральная вата;
• стекловата;
• вата из базальтового волокна;

Помимо сферы применения, утеплители значительно отличаются между собой и своей стоимость, теплопроводностью, герметичностью, а также сроком службы, на что следует обратить внимание при их выборе.

При выборе утеплителя, в первую очередь, важно обращать внимание на сферу его применения. К примеру, подбирая материал утепления для наружной отделки объекта, следите за тем, чтоб его плотность была достаточно высокой, а его структура имела надежную защиту от перепадов температуры, попадания влаги, физического воздействия и т.д.

Также, старайтесь подбирать такие материалы, вес которых будет не очень большим, дабы не разрушать основу постройки. Ведь не редко, утеплитель приходится крепить на глиняную поверхность, или же поверх обычной «шубы», что вполне может стать причиной быстрого его разрушения.

Подводя итог, можно сделать вывод, что подборка подходящего материала для утепления какой-либо конструкции – процесс весьма тяжелый, требующий повышенного внимания. Помните, что в данном вопросе, лучше всего полагаться только на себя, и на свои знания, так как в большинстве случаев, консультанты магазинов могут советовать

Вам приобрести качественный дорогой утеплитель туда, где и без него вполне можно обойтись (к примеру, под линолеум, или на внутренние стенки). Поэтому, осуществляйте выбор самостоятельно, опираясь на характеристики материала, и на его качество. Также, важно помнить, что цена – это далеко не всегда важный критерий, на который стоит ориентироваться при выборе.

Смотрите в следующем видео пояснения таблицы теплопроводности материалов с примерами:

• 16 января, 2006
• Опубликовано: Строительные технологии и материалы

Необходимость использования Систем теплоизоляции WDVS вызвана высокой экономической эффективностью.

Вслед за странами Европы, в Российской Федерации приняли новые нормы теплосопротивления ограждающих и несущих конструкций, направленные на снижение эксплуатационных расходов и энергосбережение. С выходом СНиП II-3-79*, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» прежние нормы теплосопротивления устарели. Новыми нормами предусмотрено резкое возрастание требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Теперь прежде использовавшиеся подходы в строительстве не соответствуют новым нормативным документам, необходимо менять принципы проектирования и строительства, внедрять современные технологии.

Как показали расчёты, однослойные конструкции экономически не отвечают принятым новым нормам строительной теплотехники. К примеру, в случае использования высокой несущей способности железобетона или кирпичной кладки, для того, чтобы этим же материалом выдержать нормы теплосопротивления, толщину стен необходимо увеличить соответственно до 6 и 2,3 метров, что противоречит здравому смыслу. Если же использовать материалы с лучшими показателями по теплосопротивлению, то их несущая способность сильно ограничена, к примеру, как у газобетона и керамзитобетона, а пенополистирол и минвата, эффективные утеплители, вообще не являются конструкционными материалами. На данный момент нет абсолютного строительного материала, у которого бы была высокая несущая способность в сочетании с высоким коэффициентом теплосопротивления.

Чтобы отвечать всем нормам строительства и энергосбережения необходимо здание строить по принципу многослойных конструкций, где одна часть будет выполнять несущую функцию, вторая — тепловую защиту здания. В таком случае толщина стен остаётся разумной, соблюдается нормированное теплосопротивление стен. Системы WDVS по своим теплотехническим показателям являются самыми оптимальными из всех представленных на рынке фасадных систем.

Таблица необходимой толщины утеплителя для выполнения требований действующих норм по теплосопротивлению в некоторых городах РФ:

Таблица, где: 1 — географическая точка 2 — средняя температура отопительного периода 3 — продолжительность отопительного периода в сутках 4 — градусо-сутки отопительного периода Dd, °С * сут 5 — нормируемое значение сопротивления теплопередаче Rreq, м2*°С/Вт стен 6 — требуемая толщина утеплителя

Условия выполнения расчётов для таблицы:

1. Расчёт основывается на требованиях СНиП 23-02-2003
2. За пример расчёта взята группа зданий 1 — Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты, гостиницы и общежития.
3. За несущую стену в таблице принимается кирпичная кладка толщиной 510 мм из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе l = 0,76 Вт/(м * °С)
4. Коэффициент теплопроводности берётся для зон А.
5. Расчётная температура внутреннего воздуха помещения + 21 °С «жилая комната в холодный период года» (ГОСТ 30494-96)
6. Rreq рассчитано по формуле Rreq=aDd+b для данного географического места
7. Расчёт: Формула расчёта общего сопротивления теплопередаче многослойных ограждений:
R0= Rв + Rв.п + Rн.к + Rо.к + Rн Rв — сопротивление теплообмену у внутренней поверхности конструкции
Rн — сопротивление теплообмену у наружной поверхности конструкции
Rв.п — сопротивление теплопроводности воздушной прослойки (20 мм)
Rн.к — сопротивление теплопроводности несущей конструкции
Rо.к — сопротивление теплопроводности ограждающей конструкции
R = d/l d — толщина однородного материала в м,
l — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м * °С)
R0 = 0,115 + 0,02/7,3 + 0,51/0,76 + dу/l + 0,043 = 0,832 + dу/l
dу — толщина теплоизоляции
R0 = Rreq
Формула расчёта толщины утеплителя для данных условий:
dу = l * (Rreq — 0,832)

а) — за среднюю толщину воздушной прослойки между стеной и теплоизоляцией принято 20 мм
б) — коэффициент теплопроводности пенополистирола ПСБ-С-25Ф l = 0,039 Вт/(м * °С) (на основании протокола испытаний)
в) — коэффициент теплопроводности фасадной минваты l = 0,041 Вт/(м * °С) (на основании протокола испытаний)

* в таблице даны усреднённые показатели необходимой толщины этих двух типов утеплителя.

Примерный расчёт толщины стен из однородного материала для выполнения требований СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

* для сравнительного анализа используются данные климатической зоны г. Москвы и Московской области.

Условия выполнения расчётов для таблицы:

1. Нормируемое значение сопротивления теплопередаче Rreq = 3,14
2. Толщина однородного материала d= Rreq * l

Таким образом, из таблицы видно, что для того, чтобы построить здание из однородного материала, отвечающее современным требованиям теплосопротивления, к примеру, из традиционной кирпичной кладки, даже из дырчатого кирпича, толщина стен должна быть не менее 1,53 метра.

Чтобы наглядно показать, какой толщины необходим материал для выполнения требований по теплосопротивлению стен из однородного материала, выполнен расчёт, учитывающий конструктивные особенности применения материалов, получились следующие результаты:

В данной таблице указаны расчётные данные по теплопроводности материалов.

По данным таблицы для наглядности получается следующая диаграмма:

Страница в разработке

Утеплённая Шведская Плита

Утеплённая Шведская плита (УШП) — один из видов мелкозаглублённого фундамента. Технология пришла с Европы.Данный тип фундамента имеет два основных слоя. Нижний, теплоизоляционный слой, препятствует промерзанию грунта под домом. Верхний слой…

Фильм — пошаговая инструкция по технологии СФТК («мокрый фасад»)

При поддержке компании СИБУР, Ассоциации Производителей и Продавцов Пенополистирола, а также при сотрудничестве с компаниями «КРАЙЗЕЛЬ РУС», «ТЕРМОКЛИП» и «АРМАТ-ТД» создан уникальный обучающий фильм по технологии производства штукатурных теплоизоляционных фасадных…

В феврале 2015 года выпущен очередной обучающий видеофильм по фасадным системам. Как правильно изготавливать декор-элементы для украшения коттеджа — об этом пошагово в видеофильме.

• При поддержке СИБУРа состоялась I практическая конференция «Полимеры в теплоизоляции»

  27 мая в Москве состоялась I практическая конференция «Полимеры в теплоизоляции», организованная информационно-аналитическим центром Rupec и журналом «Нефтегазовая вертикаль» при поддержке СИБУРа. Главными темами конференции стали тенденции в области нормативной…

• Справочник — вес, диаметр, ширина чёрного металлопроката (арматура, уголок, швеллер, двутавр, трубы)

  1. Справочник: диаметр, вес погонного метра арматуры, сечение, класс стали

• Системы «БОЛАРС ТВД-1» и «БОЛАРС ТВД-2» абсолютно пожаробезопасны!

  Системы «БОЛАРС ТВД-1» и «БОЛАРС ТВД-2» абсолютно пожаробезопасны!К такому выводу пришли специалисты, проведя огневые испытания на фасадных теплоизоляционных системах ТМ «БОЛАРС». Системам присвоен класс пожарной опасности К0 – самые безопасные. Огромную…

Prev Next

Сравнение коэффициента теплопроводности пенополиуретана с другими строительными материалами. / ППУ XXI ВЕК – Напыление ППУ

МАТЕРИАЛ	Плотность (для сыпучих– насыпная плотность), кг/м3	Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м*К)
Алюминий	2600-2700	203,5-221 растет с ростом плотности
Асбест	600	0,151
Асфальтобетон	2100	1,05
АЦП асбесто-цементные плиты	1800	0,35
Бетон см.также Железобетон	2300-2400	1,28-1,51 растет с ростом плотности
Битум	1400	0,27
Бронза	8000	64
Винипласт	1380	0,163
Вода при температурах выше 0 градусов С	около 1000	около 0,6
Войлок шерстяной	300	0,047
Гипсокартон	800	0,15
Гранит	2800	3,49
Дерево, дуб — вдоль волокон	700	0,23
Дерево, дуб — поперек волокон	700	0,1
Дерево, сосна или ель — вдоль волокон	500	0,18
Дерево, сосна или ель — поперек волокон	500	0,10—0,15 растет с ростом плотности и влажности
ДСП, ОСП; древесно- или ориентированно-стружечная плита	1000	0,15
Железобетон	2500	1,69
Картон облицовочный	1000	0,18
Керамзит	200	0,1
Керамзит	800	0,18
Керамзитобетон	1800	0,66
Керамзитобетон	500	0,14
Кирпич керамический пустотелый (брутто1000)	1200	0,35
Кирпич керамический пустотелый (брутто1400)	1600	0,41
Кирпич красный глиняный	1800	0,56
Кирпич, силикатный	1800	0,7
Кладка из изоляционного кирпича	600	0,116—0,209 растет с ростом плотности
Кладка из обыкновенного кирпича	600–1700	0,384—0,698—0,814 растет с ростом плотности
Кладка из огнеупорного кирпича	1840	1,05 (при 800—1100°С)
Краска масляная	—	0,233
Латунь	8500	93
Лед при температурах ниже 0 градусов С	920	2,33
Линолеум	1600	0,33
Литье каменное	3000	0,698
Магнезия 85% в порошке	216	0,07
Медь	8500-8800	384-407 растет с ростом плотности
Минвата	100	0,056
Минвата	50	0,048
Минвата	200	0,07
Мрамор	2800	2,91
Накипь, водяной камень	—	1,163—3,49 растет с ростом плотности
Опилки древесные	230	0,070—0,093 растет с ростом плотности и влажности
Пакля сухая	150	0,05
Пенобетон	1000	0,29
Пенобетон	300	0,08
Пенопласт	30	0,047
Пенопласт ПВХ	125	0,052
Пенополистирол	100	0,041
Пенополистирол	150	0,05
Пенополистирол	40	0,038
Пенополистирол экструдированый	33	0,031
Пенополиуретан	32	0,023
Пенополиуретан	40	0,029
Пенополиуретан	60	0,035
Пенополиуретан	80	0,041
Пеностекло	400	0,11
Пеностекло	200	0,07
Песок сухой	1600	0,35
Песок влажный	1900	0,814
Полимочевина	1100	0,21
Полиуретановая мастика	1400	0,25
Полиэтилен	1500	0,3
Пробковая мелочь	160	0,047
Ржавчина (окалина)	—	1,16
Рубероид, пергамин	600	0,17
Свинец	11400	34,9
Совелит	450	0,098
Сталь	7850	58
Сталь нержавеющая	7900	17,5
Стекло оконное	2500	0,698—0,814
Стеклянная вата (стекловата)	200	0,035—0,070 растет с ростом плотности
Текстолит	1380	0,244
Торфоплиты	220	0,064
Фанера клееная	600	0,12
Фаолит	1730	0,419
Чугун	7500	46,5—93,0
Шлаковая вата	250	0,076
Эмаль	2350	0,872—1,163

Теплопроводность коэффициент теплопроводности — Справочник химика 21

    Через плоскую однородную стенку поверхностью Р и толщиной б (рис. 1Х-4) тепло Q передается теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности материала стенки равен к. Согласно закону Фурье, можно записать  [c.156]

    Коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности рабочего тела берут из таблиц физических величин при температуре газа 1=1 и). [c.111]

    Основным требованием, предъявляемым к тепловой изоляции трубопроводов, является низкая теплопроводность. Коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции зависит от его природы, строения и физических свойств. Теплоизоляционные материалы имеют пористое строение. Характер пористости во многом определяет изоляционные свойства материала. Кроме того, высокая пористость обусловливает малый объемный вес материала, что очень важно с конструктивной точки зрения. [c.339]

    Коэффициент теплопроводности. Значения коэффициента теплопроводности многих материалов в зависимости от температуры можно найти в гл. I. Наличие примесей, особенно в металлах, приводит к изменению теплопроводности на 50—75%. Пользуясь значениями коэффициентов теплопроводности, не следует забывать, что в процессе теплообмена (в особенности, в жидкостях и газах) лучеиспускание и конвекция, могут иг-, рать значительно большую роль, чем механизм теплопроводности. Коэффициент теплопроводности при данной температуре является функцией объемной массы [c.191]

    Общий коэффициент теплопередачи зависит от состояния грунта, глубины заложения газопровода, типа и состояния изоляции. Тепловые потери в зависимости от сезонов года изменяются циклически, хотя температура грунта на обычной глубине заложения трубопроводов изменяется в пределах 2—10° С. Значение коэффициента теплопередачи зависит от многих причин. На практике было установлено, что к близко к единице, но во многих случаях оно менее 0,25. Определить к более точно можно, только оценив тепловые потери через следующие сопротивления потоку тепла пленка потока, термическое сопротивление па границе поток—стенка , металлическая стенка, термическое сопротивление изоляции и грунта. Все эти сопротивления моншо охарактеризовать с помощью теплопроводности. Коэффициент теплопроводности Х для песка составляет 0,45, хотя для большинства горных пород он больше не менее, чем в четыре раза. Конечно, ничто не может быть лучше экспериментальных данных, однако для расчетов можно принимать к, равным 1,7 для заглубленных газопроводов. [c.169]

    В качестве высокотемпературных защитных покрытий и клеев нами были использованы органосиликатные материалы. Покрытия из органосиликатных материалов имеют хорошую адгезию к различным поверхностям. После отверждения (максимальная температура 200—270° С) они обладают повышенной термостойкостью (длительно выдерживают воздействие температур 300— 700° С), высокими электроизоляционными свойствами (удельное объемное сопротивление 10 —10 Ом-см, тангенс угла диэлектрических потерь 0.05—0.08, диэлектрическая проницаемость 3—7, электрическая прочность 10—50 кВ/мм), низкой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности 0.3—0.5 ккал/м-ч °С), высокой механической прочностью, выдерживают резкие перепады температур от —60 до +600° С. Покрытия из органосиликатных материалов устойчивы к условиям тропического климата, гидрофобны, морозо- и радиационностойки [293]. [c.118]

    Теплопроводность. Теплопроводность — способность веществ самопроизвольно передавать тепловую энергию в направлении более низкой температуры за счет колебательного движения частиц. Количественная мера теплопроводности — коэффициент теплопроводности X, Вт(м-град) он равен количеству теплоты, проходящего за 1 ч через площадку в 1 м при разности температур в 1°С на см перпендикулярно к этой площадке. Теплопроводность определяют при стационарном или нестационарном тепловом потоке. [c.172]

    В случае разреженной суспензии такие свойства газа, как вязкость (коэффициент вязкости л), теплопроводность (коэффициент теплопроводности х) и диффузия (коэффициент диффузии D), а также весь режим движения газа не изменяются от наличия частиц. [c.189]

    Коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности является основной величиной, определяющей выбор теплоизоляционного материала для низких температур. В этом случае, как правило, применяют наиболее эффективные материалы с коэффициентом теплопроводности менее 0,05 вт м-град) при температурах ниже 273° К. [c.73]

    Для тепловой изоляции трубопроводов, баков и другого криогенного оборудования используют материалы с низкой теплопроводностью — коэффициент теплопроводности при 320—370 К меньше 0,233 Вт/(м-К) [103]. [c.501]

    Основным требованием к теплоизоляции, применяемой в криогенной технике, является, как это ясно из изложенного, минимальная величина коэффициента теплопроводности. Коэффициент теплопроводности некоторых изоляционных материалов, применяемых при низких температурах, лишь в 1,5—2 раза больше теплопроводности спокойного воздуха, а аэрогель кремниевой кислоты имеет даже более низкий, чем у воздуха коэффициент теплопроводности. [c.5]

    Теплопроводность (коэффициент теплопроводности) — количество тепла (кДж, Дж, ккал, кал), которое проходит в 1 ч через 1 м стенки толщиной I м при разности температуры в 1 °С. Теплопроводность нефтепродуктов составляет примерно 0,1 Дж/М С °С с повышение.м те.мпературы эта величина уменьшается. [c.20]

    Основным коэффициентом переноса тепла является коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности зависит от температуры и влаго- [c.77]

    Пенополистирол выпускается в виде плит и тонких пленок. Отличаясь низкой теплопроводностью [коэффициент теплопроводности 0,035—0,046 Вт/(м-°С)], ППС широко применяется в качестве теплоизоляционного материала. ППС устойчив к действию воды и водных растворов кислот, щелочей и солей. Неустойчив к действию растворителей, горит. Свойства ППС указаны в таблице. [c.58]

    При применении пенополистирола в строительстве важнейшим его показателем является коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности пенополистирола (в сухом состоянии) составляет 0,028 ккал/ (м-ч-град). Ниже приведены данные о толщине стен и теплоизоляционных прослоек из различных материалов, обеспечивающих термическое сопротивление строительных элементов, равное 1 м-ч-град/ккал  [c.176]

    В случаях, если термостат с кипящей жидкостью или обогревание водяным паром использовать нельзя, применяют жидкостные бани. Для температур до 95° следует использовать воду, так как она по сравнению со всеми другими жидкостями (Я 0,0004), за исключением ртути (А, = 0,02), обладает самой высокой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности К = 0,0015). Почти такими же свойствами обладают растворы, которые в случае необходимости можно защищать еще несколькими миллиметрами парафинового масла. Приблизительно до 150° применим раствор хлорида кальция. Его насыщенный раствор, содержащий 305 г a la в 100 г воды, кипит при 176°. Кроме того, можно использовать растворы ацетата калия (626 г СН3СООК + 100 г Н2О, т. кип. 161°) или хлорида магния (128 г Mg l2 на 100 г воды, т. кип. при добавлении НС1 186°). [c.97]

    Нефтяные охлаждающие жидкости до настоящего времени не получили широкого применения, так как имеют существенные недостатки. Они обладают малыми теплоемкостью и теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности их в пять раз меньше коэффициента теплопроводности воды. Вследствие этого при высокой нагрузке двигателя охлаждение оказывается недостаточным и двигатель перегревается. Жидкость, нагретая в системе охлаждения до температуры выше 100°, при попадании воды бурно вскипает с выбросом. Кроме того, нефтяные охлаждающие [c.476]

    Введение антифрикционных наполнителей (двусернистого молибдена, графита, сернокислого бария и др.) существенно снижает износ подшипников и увеличивает их теплопроводность. Коэффициент теплопроводности чистого полиформальдегида составляет 3,67 10 кал/см-сек-град, а графита (100— 130) 10 кал/см сек град. Введение графита даже в небольших количествах увеличивает теплопроводность в несколько раз. Улучшение теплового режима подшипников, в свою очередь, приводит к снижению коэффициента трения и износа. Особенно эффективно влияние этих добавок при работе подшипников в условиях ограниченной смазки при сухом трении. В этом случае работоспособность подшипников увеличивается в несколько раз. [c.153]

    Недостатком стеклянной ваты является вредное воздействие осколков волокна на кожу и дыхательные органы. Разрушение волокна определяется его хрупкостью, зависящей от диаметра. Волокно толщиной 20— 25 мк колется легко, а менее 15 ж/с — не колется. Тонковолокнистая стеклянная вата имеет еще одно преимущество — более низкую теплопроводность. Коэффициент теплопроводности стеклянной ваты с диаметром волокна 7—10 мк и объемным весом 150 кГ/м при —90° С равен 0,024 ккал/м-ч-град. [c.380]

    Теплопроводность, коэффициент теплопроводности [c.10]

    Асбомагнезиальный порошок по ТУ 44-47 МСПТИ представляет собой порошок в виде смеси основного водного карбоната магния, получаемого переработкой магнезита и распушенного асбеста. Объемный вес 350 кГ/л1 Применяется для изоляции поверхностей промышленного оборудования и отличается малой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности 0,07—0,1 ккал/м-град-ч). [c.67]

    Для тепловой изоляции мокно применять любые материалы с низкой теплопроводностью — коэффициент теплопроводности которых при 5(3-100 °С менее 0,233 Вт/(м>К) [I]. Многие из таких материалов используют в естественном виде, но большую их часть получают при специальной обработке естественных материалов и изготовлении из них различных смесей. Теплоизоляционные свойства материалов из этих смесей зависят от технологии обработки компонентов или их соотношения. Основные требования, предъявляемые к теплоизоляционным латериалам, применяемым в криогенном оборудовании, следующие  [c.132]

    Тепловая энергия молекул более нагретого участка вещества передается соседним, более холодным. Это можно наблюдать, например, при нагреве одного конца медной проволоки над пламенем спиртовки. Этот виц теплообмена происходит до тех пор, пока температура во всех участках тела не сравняется. Количество теплоты, передаваемой через какую-нибудь стенку или тело, зависит, во-первых, от разности температур по обе стороны стенки или тела. Чем эта разность больше, тем большее количество теплоты передается через стенку или тело за определенный промежуток времени. Во-вторых, это количество зависит от площади стенки или тела. Вода в кастрюле с большим дном нагревается быстрее, чем в кастрюле с меньшим дном. Легко убедиться на опыте, что количество теплоты, передаваемой за единицу времени через стенку при определенной разности температур, тем больше, чем тоньше стенка. Наконец, теплопередача значительно зависит от материала стенки. Для характеристики различных материалов с точки зрения теплопередачи пользуются понятием коэффициента теплопроводности. Коэффициентом теплопроводности называют величину, показывающую, какое количество теплоты передается через плоскую стенку толщиной 1 м за единицу времени через единицу площади при разности температур между поверхностями стенки 1 °С. Если теплопроводность чистой меди к = 340 ккал/(м-ч)°С, то это означает, что через каждый квадратный метр медной стенки при толщине стенки 1 м и разности тем1Гератур 1°С передается 340 ккал в течение 1 ч. Как правило, материалы с большой объемной массой имеют более высокие значения коэффициента теплопроводности. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно выше, чем для сухого и воды в отдельности. Так, для сухого кирпича X = 0,3, для воды X = 0,5, а для влажного кирпича >, = 0,9 ккал/(м-ч)°С. Материалы с низким значением коэффициента теплопроводности меньше 0,2 ккал/(м ч)°С, обычно применяемые для тепловой изоляции, называются теплоизоляционными. [c.24]

    В жидкостях и газах кроме теплопроводности теплопередача осуше-ствляется конвекцией, т. е. механическим перемешением нагретых частей. Почти всегда при соприкосновении жидкости или газа с твердыми стенками, имеюшими более высокую или более низкую температуру, в жидкости или газе возникают течения нагревшаяся жидкость (или газ) поднимается, а охладившаяся опускается. Этот процесс происходит вследствие уменьшения плотности жидкости или газа при повышении их температуры. В очень узких слоях, например в слое воздуха между двумя близко расположенными оконными стеклами, конвекционные течения слабы. Если конвекционные течения возникли, они способствуют быстрому прогреванию жидкостей и газов при отсутствии конвекции (в случае, когда вверху расположена нагретая жидкость, а внизу — охлажденная) прогревание и жидкостей, и газов замедляется вследствие их ничтожной теплопроводности. Коэффициент теплопроводности жидкостей лежит в пределах 0,08—0,6 ккал/(м-ч)°С, а газов — 0,05— 0,5 ккал/(м-ч)°С. [c.25]

    Часть, посвященная теплопроводности, состоит из двух глав. В первой рассматриваются стационарная теплопроводность, коэффициенты теплопроводности, вдияние формы тел и тепловые сопротивления параллельно и последовательно расположенных тел. Во второй главе рассматривается нестационарная теплопроводность, имеющая место при нагревании и охлаждении твердых тел задачи решаются с помощью графиков, включающих четыре безразмерных комплекса. [c.13]

    Жидкость с удельной теплоемкостью с р и коэффициентом теплопроводности k входит в трубу, обладая температурой /ь Температура внутренней поверхности обогреваемого участка принимается постоянной и равной Характер течения принимается ламинарным, так что распределение локальной скорости в любом поперечном сечении является параболическим с нулевой скоростью у стеики и максимальной на оси (см. кривую А, рис. 9-16). Предполагается, что влия ние вязкости входит в задачу только этим путем. Принимается, что тепло передается только радиальной теплопроводностью коэффициент теплопроводности жидкости принимается постоянным. Пользуясь этими допущениями, Грэтц проинтегрировал уравнение Фурье-Пуассона [c.315]

    Стеклопласты на основе полимерных материалов, в отличие от металлов, обладают малой теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности у стеклопластов при 20° составляет 0,02 кал/см-град-сек в то вр ля, как у стали он равен 0,07—0,10, а у алюминия и его сплавов — 0,4—0,5. Низкая теплопроводность стеклопластов в ряде случаев является их преимуществом перед металлами. Так, благодаря низкой теплопроводности детали из стеклопластмасс, подвергающиеся неоднократному кратковременному воздействию очень высоких температур (примерно 2500°), оказываются более стойкими и прочными, чем детали из стали. Кратковременное действие высокой температуры на стеклопласт приводит только к разрушению поверхностных слоев детали, в то время как деталь из металла сгорает или теряет прочность. В настоящее время установлено, что некоторые стеклопласты, благодаря низкой теплопроводности, при воздействии температур 200—300° теряют прочность меньше, чем алюминий, магний и их сплавы. Поэтому при длительной работе при температурах свыше 200° С рекомендуется применять специальные жаропрочные стеклопластмассы, например, стеклопласты на основе кремнийорганических и меланиновых смол. Из сопоставления характеристик механической прочности стеклопластов и металлов следует, что стеклопласты могут быть использо- [c.133]

    Обычные методы переработки в изделия для ПОБ мало пригодны используется метод изотермической ковки, аналогичный используемому в порошковой металлургии. Покрытия из ПОБ получают методом плазменного напыления. ПОБ имеет высокую рабочую температуру 315°С (кратковременно возможен нагрев до 425 °С), повышенную теплопроводность [коэффициент теплопроводности 0,76 Вт/(м-°С)], большую жесткость, хорошие диэлектрические свойства, высокую химическую стойкость, малое водопоглощение, очень низкий линейный коэффициент термического расширения (0,5-10″ ), самосмазывающие свойства. [c.261]

    Графитопласт АТМ-1 изготовляют на основе феноло-формальдегидного полимера, наполненного мелкодис-персньш графитом. Стоек ко многим кислотам, растворам солей и органическим растворителям. Легко обрабатывается режущим инструментом, обладает высокой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности АТМ-1 равен 30—35 ккалДм -ч град). Температурный предел применения 140°С. Нестоек к щелочам. [c.188]

---

Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов — Энциклопедия по машиностроению XXL

Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов  [c.298]

Значение коэффициентов теплопроводности некоторых материалов приведены в табл. 6.2.  [c.224]

Для экспериментального исследования коэффициента теплопроводности некоторых материалов, пригодных к использованию в качестве изоляционной подложки, был  [c.31]

Значения коэффициента теплопроводности некоторых материалов приведены в табл. 8 вычисление коэффициентов теплоотдачи приведено на стр. 68.  [c.60]

В табл. 6-2, составленной по литературным данным [39, 58, 52, 124, 125] и по данным исследований авторов, приведены результаты измерений коэффициентов теплопроводности некоторых из рассматриваемых нами покрытий. Там же для сравнения представлены значения А, для тех же материалов, испытанных в виде монолитных образцов. Из данных таблицы видно, что при повышении температуры теплопроводность монолитных образцов резко уменьшается (максимальная теплопроводность наблюдается при понижении температуры до 5—100 К). Для объяснения. этого явления рассмотрим механизм передачи тепла в неметаллических материалах.  [c.154]

Коэффициенты теплопроводности некоторых изоляционных и обмуровочных материалов  [c.138]

Коэффициенты теплопроводности некоторых строительных материалов и грунтов [3. 5]  [c.269]

Строительные и теплоизоляционные материалы. Коэффициент теплопроводности этих материалов изменяется в пределах от 0,02 до 2,5 ккал/м час°С. Многие строительные материалы имеют пористое строение. К таким материалам относятся, например, кирпич, бетон, керамика, огнеупорные материалы, асбест, шлак, торфяные плиты, шерсть, вата. Наличие пор в материале не позволяет рассматривать такие тела как сплошную среду. Некоторые материалы, как, например, дерево, имеют неодинаковое строение в различных направлениях, т. е. являются анизотропными телами. При этом сложный  [c.269]

В приложении 13 приводятся значения коэффициента теплопроводности некоторых огнеупорных и теплоизоляционных материалов.  [c.126]

Увеличение коэффициента теплопроводности некоторых теплоизоляционных материалов с повышением их влажности приведено в табл. 3-4.  [c.37]

Экспериментальное исследование коэффициента теплопроводности некоторых изоляционных материалов  [c.31]

Если материал обладает большой пористостью с незамкнутыми порами, что имеет место у таких материалов, как засыпки из шлака и керамзита, у шлаковой и минеральной ваты, у некоторых сортов фибролита и т. п., то в толще материала при разности температур на его поверхности возникают конвективные потоки воздуха, увеличивающие теплообмен между поверхностями. Это явление (внутренняя инфильтрация) значительно увеличивает коэффициенты теплопроводности пористых материалов, что необходимо учитывать, особенно если этот материал служит перегородкой, разделяющей две смежные воздушные прослойки.  [c.356]

Методы расчета коэффициентов теплопроводности дисперсных сред развивались в двух направлениях. Одно из них предусматривает составление и точное решение уравнений теплопроводности рассматриваемых сред. Основоположником этого направления следует считать Максвелла, указавшего на аналогию в математическом описании электрических и тепловых явлений. Такая аналогия, получившая название электротепловой, позволила применить решения некоторых задач электростатики, найденные Максвеллом, к расчету коэффициента теплопроводности неоднородных материалов. Для коэффициента теплопроводности среды с включениями была получена следующая формула  [c.15]

Коэффициенты теплопроводности некоторых строительных материалов  [c.60]

Значения коэффициента теплопроводности некоторых теплоизоляционных материалов приведены в приложении 2.  [c.65]

Зависимость коэффициента теплопроводности материала от его температуры. Коэффициент теплопроводности материала увеличивается с повышением его средней температуры, при которой происходит передача тепла. Для иллюстрации этого в табл. 3 приведены коэффициенты теплопроводности некоторых изоляционных материалов, определенные при различных температурах.  [c.27]

Значения коэффициента теплопроводности k для некоторых материалов и веществ показаны на рис. 8.5. В технической литературе значения теплопроводности часто даются в единицах британской системы, поэтому советуем запомнить переводной коэффициент—62,3.  [c.213]

Представляет интерес оценка влияния теплового эффекта АН и фильтрации газообразных продуктов разложения на интенсивность переноса тепла внутри теплозащитного покрытия. Предположим, что можно ввести некоторое эффективное значение коэффициента теплопроводности, которое позволяет получить в материале, не претерпевающем физико-химических превращений, такое же температурное поле, как и в композиционном материале с фрон- S5  [c.85]

Удельный вес у, коэффициент теплопроводности Я, удельная теплоемкость с и предельная температура применения некоторых технических материалов  [c.194]

Различные физические тела обладают разными значениями коэффициента теплопроводности. Кроме того, для данного вещества коэффициент теплопроводности зависит от температуры, объемного веса, влажности, структуры и в некоторой мере от давления. При технических расчетах изменением Я с температурой обычно пренебрегают и принимают в качестве расчетного значение, среднее для того интервала температур, для которого предназначен данный материал. В приложении дается таблица значений коэффициента теплопроводности X для наиболее употребительных материалов.,  [c.13]

В табл. 1-3 приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов при средней температуре 20 С.  [c.19]

Так, теплопроводность газов возрастает с ростом температуры (фиг. 1). То же имеет место и для теплоизоляционных твердых материалов (фиг. 2). У чистых металлов коэффициент теплопроводности уменьшается с ростом температуры (фиг. 3), а у жидкостей эта зависимость подчас имеет весьма сложный характер. Так, например, коэффициент теплопроводности воды в некотором интервале температур возрастает, а затем уменьшается (фиг. 4).  [c.14]

ВИЯХ вакуума по данным, полученным в работе автора, проведенной совместно с А. В. Елисеевым и В. А. Андриановой. Поскольку гелий отличается большей теплопроводностью, чем воздух, то теплопроводность материала в этом случае больше, чем для пор, заполненных воздухом. В условиях вакуума коэффициент теплопроводности резко уменьшается. Во всех трех случаях теплопроводность увеличивается с температурой. Это объясняется увеличением роли излучения и конвекции в газовой среде. Теплопроводность пористых тел в некоторых случаях настолько сильно увеличивается с температурой, что они практически перестают играть роль теплоизоляционных материалов.  [c.10]

Приведены данные о физических свойствах окислов, и карбидов в широком диапазоне температур и других параметров. Наибольшее внимание уделено теплофизическим и термодинамическим свойствам этих материалов коэффициентам теплопроводности, теплоемкости, линейного расширения и т. д. Кроме теплофизических свойств, для каждого материала приведены данные, которые характеризуют его структуру, степень взаимодействия с другими материалами и некоторые другие общие сведения, что позволяет обеспечить комплектность и определенную универсальность справочника.  [c.240]

Коэффициент теплопроводности (А, Вт м- К ) некоторых волокнистых теплоизоляционных материалов  [c.198]

Значения коэффициентов теплопроводности некоторых материалов, применяемых в конструкции алюминиевьгх электролизеров, представлены в табл. 8.4.  [c.297]

Рнс. 6-43. Зависимости коэффициента теплопроводности некоторых высоконагревостойких материалов от температуры 1 — графит 2 — ВеО 3 — моиооксид кремния S10 4 — MgO, 6 шамот 6 — AljOj 7 2гО,  [c.174]

Коэффициенты теплопроводности некоторых теплоизоляционных материалов растительного и искусствениого происхождения [3—5]  [c.270]

В последнее время за границей, как и в СССР, отмечается некоторый подъем теплоизоляционной промышленности. Повысился предел применения теплоизоляции до температур 1650° С (США — фирма Армстронг, Джонс-Менвил и др.), расширилась паучно-исслодовательская работа по теплоизоляции, достигнуто снижение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов на 10—15%.  [c.351]

Коэффициент теплопроводности порошкообразных материалов в вакууме зависит также от размера зерен порошка. Уменьшение диаметра зерен при давлениях выше 10 мм рт. ст. снижает коэффициент теплопроводности и достигает стабильных значений при диаметре зерен менее 0,3 мм. Изменение объемного веса порошкообразных материалов в вакууме (кремнегель, перлит) в широких пределах не влияет на передачу тепла, так как в условиях вакуума отсутствует передача тепла конвекцией и теплопроводностью газа, но в некоторых случаях сохраняется зависимость коэффициента теплопроводности от объемного веса.  [c.289]

В физических лабораториях коэффициенты теплопроводности строительных материалов определяются обычно на предварительно просушенных образцах, чтобы получить сравнимые коэффициенты теплопроводности для различных материалов, исключая влияние влажности на полученные результаты. В наружных ограждениях строительные материалы всегда имеют некоторую влажность, повышающую их теплопроводность. Вследствие этого пользоваться для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций непосредственно коэффициентами теплопроводности, полученными для сухого материала, нельзя — эти коэффициенты необходимо увеличивать. Коэффициенты тепло-проЁодности ряда строительных материалов приведены в приложении 1.  [c.27]

Подобным испытаниям подвергаются хрупкие материалы и изделия из них. Стойкость к термоударам зависит от температурного коэффициента линейного расширения материала поэтому для приблизительной оценки этой характеристики можно пользоваться соотношением Alai, в котором А — коэффициент, определяемый механической прочностью и теплопроводностью материала — температурный коэффициент линейного расширения. При неоднородности материала, а также дефектах роверхности (царапины и т. п.) стойкость к термоударам сильно снижается, что легко объяснимо теорией прочности хрупкого тела. Некоторые материалы, например стекло, подвергаются травлению плавиковой кислотой для повышения стойкости к термоударам так же действует закалка.  [c.175]

В табл. 11-1 приведены некоторые данные о значениях коэффициента теплопроводности для разных веществ. Из нее видно, что наихудшими проводникам тепла являются газы, для которых Я = 0,006 -f— 0,6 вт1 м-град). Некоторые чистые металлы, наоборот, отличаются высокими значениями X и для них величина его колеблется от 12 до 420 втЦм -град). Примеси к металлам вызывают значительное уменьшение коэффициента теплопроводности. Так, у чугуна X тем меньше, чем больше содержится в чугуне углерода. Для строительных материалов Я = 0,164-1,4 вт/ (м-град). Пористые материалы, плохо проводящие тепло, называют теплоизоляционными и для, них значения X находятся в пределах от 0,02 до 0,23 вт1 м-град). К этим материалам относят шлаковату, минеральную шерсть, диатомит, ньювель, совелит, асбест и др. Чем более порист материал, т. е- чем больше содержится в нем пузырьков малотеплопроводного воздуха, чем меньше его плотность, тем менее он теплопроводен. Очень широкое применение получил теплоизоляционный материал диатомит в 1 см которого содержится до 2-10 скорлупок, заполненных внутри воздухом.  [c.139]

В этом выражении заключены противоречивые требования к материалу, так как для получения большого значения Z удельная проводимость вещества у должна быть большой, а его коэффициент теплопроводности у,, — малым. Е табл. 8-6 приведены свойства некоторых материалов, разработанных для использования в терлмоустройствах.  [c.266]

Для теплозащитных материалов наиболее важен третий участок области твердого состояния материала — диапазон высоких температур, который простирается от температуры Дебая до температуры плавления или сублимации данного вещества. В соответствии с данными рис. 3-12 для большинства чистых веществ — проводников электричества (в основном это металлы) можно принять, что коэффициент теплопроводности в этом диапазоне практически не изменяется с температурой (кривая 3). У кристаллических диэлектриков, например окислов AI2O3, 2гОг и т. д., теплопроводность в этой области падает обратно пропорционально температуре (кривая 2). У большинства аморфных материалов (стекло, некоторые полимеры) заметно некоторое увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры (кривая 1). Интересно отметить, что разность между теплопроводностью кристаллических и аморфных диэлектриков быстро убывает с ростом температуры и в точке плавления исчезает совсем. Чистые металлы имеют максимальные значения  [c.76]

Кроме того, материалы должны иметь определенные значения коэффициентов теплопроводности и электрической проводимости — высокие значения для проводников, низкие или близкие к нулю значения для изоляционных материлов и строго заданные значения для резисторов, полупроводников и транзисторов коэффициент теплового расширения, который, исключая некоторые специальные случаи, должен быть по возможности низким хорошие фрикционные свойства для материалов, которые будут работать на износ или будут использованы для таких конструкций и частей, как оси, подшипники, шпонки и ползуны.  [c.7]

Минеральная вата состоит из тончайших стекловидных волокон, получаемых из расплавленной массы некоторых горных пород глины, известняков, доломитов, пемзы и др. или доменных, мартеновских и топливных шлаков. Вследствие большого числа мелких межволокнистых пустот, заполняемых воздухом, минеральная вата является хорошим теплоизоляционным материалом. Она имеет объемный вес 120— 250 кг/м и коэффициент теплопроводности 0,04— 0,05 ккал1м ч — град, с очень большим водопоглощением. Для уменьшения водопоглощения минеральную вату пропитывают раствором хлористого кальция. Она является морозостойкой, не гниет, не горит, не портится грызунами и не подвергает металл коррозии.  [c.105]

Коэффициент теплопроводности для большинства неметаллических твердых тел линейно изменяется с температурой. Ряд керамических веществ (окись бериллия, алюминия, двуокись титана и др.) имеет сложную температурную зависимость для коэффициента теплопроводности. Его велчина вначале падает, а затем возрастает за счет увеличения лучистого переноса тепла внутри этих тел. Указанные керамические. вещества являются твердыми диэлектриками и одновременно пористыми телами. Кроме них, многие твердые тела имеют не сплошное, а пористое или волокнистое строение Различные пористые материалы характеризуются наличием пустых промежутков (пор) между отдельными твердыми частицами. Часть этих пор представляет собой небольшие замкнутые объемы, а некоторые из них сообщаются между собой, образуя открытую пористость. Наполнителем пор может являться различная среда. Распространение тепла обусловливается совокупностью различных явлений. Внутри твердых частиц тела, а также в местах непосредственного контакта между ними тепло переносится за счет теплопроводности. В среде, заполняющей поры, перенос тепла осуществляется также теплопроводностью и, кроме того, за счет конвекции и теплового излучения. С увеличением размеров пор роль конвекции увеличивается. При уменьшении размеров пор и увеличении их количества имеет место одновременное уменьшение размеров твердых частиц, составляющих пористое тело. Это приводит к уменьшению поверхности соприкосновения между частицами, соответствующему увеличению контактного теплового сопротивления, а следовательно, уменьшению коэффициента теплопроводности.  [c.9]

В качестве основного слоя изоляции при температурах теплоносителя 500Х и более допускается только применение материалов с коэффициентом теплопроводности (при 4р ЮО X) >иС0,1 Вт/(м-град) и плотностью р = 400 кг/м . В табл. 8-8 приведены характеристики некоторых (наиболее употребимых) теплоизоляционных материалов.  [c.154]

---

R-показателей изоляции и других строительных материалов

В этой статье есть таблица значений R для строительных материалов, но сначала мы должны быстро осветить некоторые основы, касающиеся значений R, U-факторов и расчета теплового сопротивления.

Что такое R-ценности?

В строительстве R-значение является мерой способности материала сопротивляться тепловому потоку с одной стороны на другую. Проще говоря, R-значения измеряют эффективность изоляции, а большее число представляет более эффективную изоляцию.

R-значения складываются. Например, если у вас есть материал с R-значением 12, прикрепленным к другому материалу с R-value 3, то оба материала вместе имеют R-значение 15.

Единицы R-значения

Как мы уже говорили, показатель R измеряет термическое сопротивление материала. Это также можно выразить как разность температур, которая заставит одну единицу тепла проходить через одну единицу площади за период времени.

Уравнение R-значения (Имперские единицы) R-value Уравнение (единицы СИ)

Два приведенных выше уравнения используются для расчета R-ценности материала.Имейте в виду, что из-за единиц измерения имперское значение R будет немного меньше, чем значение R. В приведенных ниже таблицах используются имперские единицы, поскольку наш веб-сайт ориентирован на рынок Северной Америки.

Что такое U-факторы?

Многие программы моделирования энергопотребления и вычисления кода требуют U-факторов (иногда называемых U-значениями) сборок. U-фактор — это коэффициент теплопередачи, который просто означает, что это мера способности сборки передавать тепловой энергии по своей толщине.U-фактор сборки является обратной величиной общего R-значения сборки. Уравнение показано ниже.

Уравнение фактора U

Таблицы R-значений строительных материалов

Значения R для конкретных узлов, таких как двери и остекление, в таблице ниже являются обобщениями, поскольку они могут значительно различаться в зависимости от специальных материалов, используемых производителем. Например, использование газообразного аргона в стеклопакете с двойным стеклопакетом значительно улучшит R-значение. Обратитесь к документации производителя для получения информации о значениях, характерных для вашего проекта.

Воздушное пространство

Материал	Толщина	R-значение (F ° · кв.фут · час / британская тепловая единица)
Воздушные пленки
Внешний вид		0,17
Внутренняя стена		0,68
Внутренний потолок		0,61
		9007
Минимум от 1/2 «до 4»		1.00
Строительная плита
Гипсокартон	1/2 «	0,45
Гипсокартон	5/8″	0,5625
Фанера	1/2 «	0,62
Фанера	1″	1,25
Обшивка из древесноволокнистой плиты	1/2 «	1.32
Древесно-стружечная плита средней плотности	1/2 «	0,53
Изоляционные материалы
Минеральное волокно R-11 с металлическими шпильками 2×4 @ 16 дюймов OC		5,50
R-11 Минеральное волокно с деревянными стойками 2×4 @ 16 дюймов OC		12,44
Минеральное волокно R-11 с металлическими стойками 2×4 @ 24 дюйма OC		6.60
Минеральное волокно R-19 с металлическими штифтами 2×6 @ 16 дюймов, OC		7,10
Минеральное волокно R-19 с металлическими штифтами 2×6 @ 24 дюйма OC		8,55
R-19 Минеральное волокно с деревянными стойками 2×6 @ 24 «OC		19,11
Пенополистирол (экструдированный)	1″	5,00
Пенополиуретан (вспененный на месте)	1 «	6,25
Полиизоцианурат (с покрытием из фольги)	1 «	7.20
Каменная кладка и бетон
Обычный кирпич	4 «	0,80
Лицевой кирпич	4″	0,44
Бетонная кладка Блок (CMU)	4 «	0,80
Блок бетонной кладки (CMU)	8″	1,11
Блок бетонной кладки (CMU)	12 «	1.28
Бетон 60 фунтов на кубический фут	1 «	0,52
Бетон 70 фунтов на кубический фут	1″	0,42
Бетон 80 фунтов на кубический фут	1 «	0,33
Бетон 90 фунтов на кубический фут	1 «	0,26
Бетон 100 фунтов на кубический фут	1″	0,21
Бетон 120 фунтов на кубический фут	1 »	0.13
Бетон 150 фунтов на кубический фут	1 «	0,07
Гранит	1″	0,05
Песчаник / известняк	1 «	0,08
Сайдинг
Алюминий / винил (без изоляции)		0,61
Алюминий / винил (изоляция 1/2 «)		1.80
Полы
Твердая древесина	3/4 «	0,68
Плитка		0,05
Ковер с волокнистой подушкой		2,08
Ковер с резиновым ковриком		1,23
Кровля
Битумная черепица		0.44
Деревянная черепица		0,97
Остекление
Однослойное стекло	1/4 «	0,91
Двойное стекло с 1 / 4 «воздушное пространство		1,69
Двойное остекление с воздушным пространством 1/2″		2,04
Двойное остекление с воздушным пространством 3/4 «		2,38
Тройное полотно с 1 / 4 «воздушные пространства		2.56
Тройное остекление с воздушными пространствами 1/2 «		3,23
Двери
Дерево, цельная сердцевина	1 3/4″	2,17
Металлическая дверь с твердой изоляцией, изоляция из полистирола ASTM C518 Расчетный	1,5–2 дюйма	6,00 — 7,00
Металлическая дверь с твердой изоляцией, изоляция из полистирола ASTM C1363 Работает	1.5 «- 2»	2,20 — 2,80
Металлическая дверь с твердой изоляцией, полиуретановая изоляция ASTM C518 Рассчитано	1,5 «- 2»	10,00 — 11,00
Металлическая дверь с твердой изоляцией, изоляция из полиуретана ASTM C1363 В рабочем состоянии	1,5 дюйма — 2 дюйма	2,50 — 3,50

Значения в таблице выше были взяты из ряда источников, включая: ASHRAE Handbook of Fundamentals , ColoradoENERGY.org и Building Construction Illustrated Фрэнсис Д.К. Чинг. Также использовались другие второстепенные источники. Archtoolbox не тестирует материалы или сборки.

Двери и агрегаты

В приведенной выше таблице вы заметите, что для изолированных металлических дверей с полиуретановой изоляцией предусмотрены два совершенно разных значения R. На основании ASTM C518 (метод расчета) дверь имеет значение R до 11, но при использовании ASTM C1363 (проверено / работоспособно) та же дверь имеет значение R только до 3.5. Это огромная разница, которая, по сути, сводится к тому, что ASTM C518 является теоретическим максимумом, основанным на тепловом испытании в установившемся режиме только части дверной панели. Однако все мы знаем, что рама, прокладки и оборудование значительно влияют на коэффициент теплопередачи. Поэтому был внедрен новый стандартный тест ASTM C1363, который тестирует всю дверную сборку. включая раму и фурнитуру.

Результаты ASTM C1363 намного ниже, но они гораздо более точны для реальных условий установки.Фактически, двери работают так же, как и раньше — просто значения R намного больше соответствуют тому, как дверь действительно работает. Многие архитекторы в настоящее время определяют двери с тестом ASTM C1363 в качестве стандарта на коэффициент теплопередачи. Ожидается, что этому примеру последуют и другие продукты.

Для получения дополнительной информации ознакомьтесь со статьей Института стальных дверей. Почему изменились рейтинги тепловых характеристик?

Сопротивление теплового контакта — 2011

Полезность аналогии между потоком электрического тока и потоком тепла становится очевидным когда удовлетворительное описание теплообмена на границе раздела из двух проводящих сред.Из-за ограничений обработки нет двух твердые поверхности всегда образуют идеальный контакт при нажатии вместе. Между двумя контактирующими поверхностями всегда будут крошечные воздушные зазоры. из-за их шероховатости.

Через интерфейс между двумя контактирующими поверхностями, два режима теплопередача существует. Первый — это проводимость через точки от твердого тела к твердому. контакт (Qпроводимость) что очень эффективно. Во-вторых, проводимость через зазоры, заполненные газом. (Qgap) который, из-за низкой теплопроводности может быть очень плохой.Для лечения термического контактное сопротивление, межфазная проводимость, hc, размещается последовательно с проводящей средой с обеих сторон, как показано на следующая цифра.

Проводимость hc аналогична к коэффициенту конвективной теплоотдачи и имеет те же единицы (Вт / м2 oK). Если DT — разность температур на границе раздела области A, тогда скорость теплопередачи Q определяется выражением Q = A hc DT. Использование электротермического аналогично можно записать Q = DT / Rt, где Rt — тепловое контактное сопротивление, которое определяется выражением Rt = 1 / (A hc).

Межфазная проводимость, hc, зависит от следующих факторов:

• Чистота поверхности контактирующих граней.

• Материал каждой грани.

• Давление, с которым поверхности вынуждены вместе.

• Вещество в промежутках между двумя контактирующими лица.

В следующей таблице приведены некоторые типичные значения межфазной проводимости. для нормальной обработки поверхности и умеренного контактного давления (от 1 до 10 атм).Воздушные зазоры не удаляются, если не указано иное:

Контактные лица	Проводимость (hc) (Вт / м2 ок)
Железо / алюминий	45 000
Медь / медь	10 000 — 25 000
Алюминий / алюминий	2200–12000
Нержавеющая сталь / нержавеющая сталь	2000 — 3700
Нержавеющая сталь / нержавеющая сталь (вакуумные зазоры)	200–1100
Керамика / керамика	500–3000

В следующей таблице указано сопротивление теплового контакта для металлических интерфейсов в условиях вакуума:

Тепловое сопротивление, RthermalX10-4 (м2.К / Вт)
Контактное давление	100 кН / м2	10,000 кН / м2
Нержавеющая сталь	6-25	0,7-4,0
Медь	1-10	0,1-0,5
Магний	1.5-3,5	0,2-0,4
Алюминий	1,5-5,0	0,2-0,4

An Пример моделирования сопротивления теплового контакта

эффектов усреднения коэффициента теплопередачи на прогнозируемую температуру материала и ее градиент | J. Теплопередача

Обсуждение, представленное до сих пор, касается резких или скачкообразных изменений в HTC с высокой на низкую.Поскольку на практике резкие изменения никогда не произойдут, вопрос заключается в том, что более постепенное изменение HTC аннулирует все обсуждения и выводы, сделанные до сих пор на основе исследования, включающего только резкие изменения в HTC. В этом разделе рассматривается этот вопрос, исследуя влияние резких и постепенных изменений в HTC на распределение температуры. Это исследование исследует постепенное изменение на основе синусоид с периодом 2 L _H , если L _H / L меньше или равно 0.5 и период 2 ( L — L _H ) = 2 L _L , если L _H / L больше 0,5, где L _H / L = от 0,1 до 0,9, так что исследуется полный набор периодов от 0,1 L до L . Что касается вариации в HTC, рассматривается только наихудший сценарий, а именно, когда вариация в HTC составляет h _H / h _L = 8.Резкие и постепенные изменения исследуемого HTC показаны на рис. 2 (а) и 2 (б). Результаты по резким изменениям в HTC уже были представлены. Результаты постепенных изменений в HTC представлены на рис. 12 и 13 и в таблицах 5 и 6. На рисунке 12 показан тепловой поток на охлаждаемой стороне пластины; Рис. 13 показывает температуру на охлаждаемой и нагретой сторонах пластины; Таблица 6 дает max и min⁠, а Таблица 7 дает λmax и λmin⁠.

Из рис.12 видно, что при постепенном изменении HTC на охлаждаемой стороне тепловой поток на охлаждаемой стороне становится плавным. Из Рис. 13 и Таблицы 6 видно, что минимальная температура в пластине, которая возникает на охлаждаемой стороне, практически не зависит от резких или постепенных изменений HTC. Однако это влияет на максимальную температуру. При постепенном изменении HTC максимальная температура в пластине, которая возникает на нагретой стороне, всегда ниже, чем при резком изменении.Для исследуемого диапазона параметров максимальное снижение максимальной температуры составляет 7,85% при переходе от резкого к постепенному изменению в HTC. В таблице 6 представлена ​​относительная разница максимальной и минимальной температуры при переходе от резкого к постепенному. Из этой таблицы видно, что максимальное изменение минимальной температуры составляет 1,14%, а максимальное изменение максимальной температуры составляет 7,85%, если на нагретую сторону воздействовать постоянным тепловым потоком. Таким образом, максимальная нормализованная температура в пластине снижается с 1.363 — 1,320, что означает превышение температуры 288,0 ° C вместо 326,7 ° C (т.е. температура превышает максимум, прогнозируемый при использовании среднего HTC), что указывает на то, что перегрев по-прежнему является серьезной проблемой. Если нагретая сторона пластины имеет постоянную конвективную среду, то превышение температуры составляет 163,8 ° C вместо 181,8 ° C при переключении с резкого на постепенное изменение в HTC. В таблице 7 представлена ​​относительная разница максимального и минимального температурных градиентов при переходе от резкого к постепенному.Максимальный нормализованный температурный градиент может достигать 6,42 при резком изменении HTC и 3,66 при постепенном изменении. Это снижение с 6,42 до 3,66 связано с тем, что с постепенным изменением HTC тепловой поток на границе раздела, где изменяется HTC, расширяется от одной точки до области толщиной L _H (см. Рис. 12).

Таким образом, резкие перепады в HTC могут переоценить степень перегрева до 7.85%. Он также переоценивает максимальный температурный градиент, где относительная разница может достигать 79,6%. Поскольку постепенные изменения в изученном HTC довольно обширны, вышеупомянутое представляет собой наихудшие поправки к результатам, основанные на резких изменениях.

Урок физики

На предыдущих страницах этого урока мы узнали, что тепло — это форма передачи энергии от места с высокой температурой к месту с низкой температурой.Три основных метода передачи тепла — теплопроводность, конвекция и излучение — подробно обсуждались на предыдущей странице. Теперь исследуем тему скорости теплопередачи. Эта тема имеет большое значение из-за частой необходимости увеличивать или уменьшать скорость теплового потока между двумя точками. Например, те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, постоянно ищут способы сохранить тепло в своих домах, не тратя слишком много денег. Тепло уходит из домов с более высокой температурой на улицу с более низкой температурой через стены, потолки, окна и двери.Мы прилагаем все усилия, чтобы уменьшить эти потери тепла, улучшая изоляцию стен и чердаков, конопатая окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери. В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Бытовая электроэнергия чаще всего производится с использованием ископаемого топлива или ядерного топлива . Метод включает в себя выработку тепла в реакторе. Тепло передается воде, и вода переносит тепло к паровой турбине (или другому типу электрического генератора), где вырабатывается электроэнергии .Задача состоит в том, чтобы эффективно передавать тепло воде и паровой турбине с минимально возможными потерями. Следует уделять внимание увеличению скоростей теплопередачи в реакторе и турбине и уменьшению скоростей теплопередачи в трубопроводах между реактором и турбиной.

Итак, какие переменные могут повлиять на скорость теплопередачи? Как можно контролировать скорость теплопередачи? Эти вопросы будут обсуждаться на этой странице Урока 1. Наше обсуждение будет ограничено переменными, влияющими на скорость теплопередачи за счет проводимости .После обсуждения переменных, влияющих на скорость теплопередачи, мы рассмотрим математическое уравнение, которое выражает зависимость скорости от этих переменных.

Разница температур

При кондукции тепло передается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока существует разница в температуре между двумя точками. Как только в двух местах достигается одинаковая температура, устанавливается тепловое равновесие и передача тепла прекращается.Ранее в этом уроке мы обсуждали передачу тепла для ситуации, когда металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенополистирола с водой низкой температуры. Если две пробы воды оснащены датчиками температуры, которые регистрируют изменения температуры во времени, то строятся следующие графики.

На графиках выше наклон линии представляет скорость, с которой изменяется температура каждой отдельной пробы воды.Температура меняется из-за передачи тепла от горячей воды к холодной. Горячая вода теряет энергию, поэтому ее наклон отрицательный. Холодная вода набирает энергию, поэтому ее наклон положительный. Скорость изменения температуры пропорциональна скорости передачи тепла. Температура образца изменяется быстрее, если тепло передается с высокой скоростью, и менее быстро, если тепло передается с низкой скоростью. Когда два образца достигают теплового равновесия, теплопередача прекращается и наклон равен нулю.Таким образом, мы можем рассматривать наклоны как меру скорости теплопередачи. Со временем скорость теплопередачи снижается. Первоначально тепло передается с высокой скоростью, что отражается на более крутых склонах. Со временем уклон линий становится менее крутым и более пологим.

Какая переменная способствует снижению скорости теплопередачи с течением времени? Ответ: разница температур между двумя емкостями с водой.Первоначально, когда скорость теплопередачи высока, горячая вода имеет температуру 70 ° C, а холодная вода имеет температуру 5 ° C. Разница температур в двух контейнерах составляет 65 ° C. По мере того, как горячая вода начинает охлаждаться, а холодная вода начинает нагреваться, разница в их температурах уменьшается, и скорость теплопередачи уменьшается. По мере приближения к тепловому равновесию их температуры приближаются к одному и тому же значению. Когда разница температур приближается к нулю, скорость теплопередачи приближается к нулю.В заключение отметим, что на скорость кондуктивной теплопередачи между двумя местоположениями влияет разница температур между двумя местоположениями.

Материал

Первая переменная, которая, как мы определили, влияет на скорость кондуктивной теплопередачи, — это разница температур между двумя местами. Вторая важная переменная — это материалы, участвующие в передаче. В рассмотренном ранее сценарии металлическая банка с водой с высокой температурой помещалась в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой.Тепло передавалось от воды через металл к воде. Важными материалами были вода, металл и вода. Что было бы, если бы тепло передавалось от горячей воды через стекло к холодной воде? Что бы произошло, если бы тепло передавалось от горячей воды через пенополистирол к холодной воде? Ответ: скорость теплопередачи была бы другой. Замена внутренней металлической банки стеклянной банкой или чашкой из пенополистирола изменит скорость теплопередачи. Скорость теплопередачи зависит от материала, через который передается тепло.

Влияние материала на скорость теплопередачи часто выражается числом, известным как теплопроводность. Значения теплопроводности — это числовые значения, которые определяются экспериментально. Чем выше значение для конкретного материала, тем быстрее будет передаваться тепло через этот материал. Материалы с относительно высокой теплопроводностью называют теплопроводниками. Материалы с относительно низкими значениями теплопроводности называют теплоизоляторами.В таблице ниже приведены значения теплопроводности (k) для различных материалов в единицах Вт / м / ° C.

Материал		к		Материал	к
Алюминий (-ы)		237		Песок	0.06
Латунь (и)		110		Целлюлоза (и)	0,039
Медь (и)		398		Стекловата (и)	0.040
Золото		315		Вата (и)	0,029
Чугун (чугуны)		55		Овечья шерсть	0.038
Выводы		35,2		Целлюлоза (и)	0,039
Серебро		427		Пенополистирол (-ы)	0.03
Цинк (ов)		113		Дерево (-и)	0,13
Полиэтилен (HDPE)		0.5		Ацетон (л)	0,16
Поливинилхлорид (ПВХ)		0,19		Вода (л)	0.58
Плотный кирпич (и)		1,6		Воздух (г)	0,024
Бетон (низкая плотность)		0.2		Аргон (г)	0,016
Бетон (высокая плотность)		1,5		Гелий (г)	0.142
Лед		2,18		Кислород (г)	0,024
Фарфор		1.05		Азот (г)	0,024

Источник: http://www.roymech.co.uk/Related/Thermos/Thermos_HeatTransfer.html

Как видно из таблицы, тепло обычно передается за счет теплопроводности со значительно большей скоростью через твердые вещества (а) по сравнению с жидкостями (l) и газами (g).Передача тепла происходит с максимальной скоростью для металлов (первые восемь пунктов в левом столбце), потому что механизм проводимости включает в себя подвижные электроны (как обсуждалось на предыдущей странице). Некоторые твердые вещества в правом столбце имеют очень низкие значения теплопроводности и считаются изоляторами. Структура этих твердых тел характеризуется карманами захваченного воздуха, разбросанными между волокнами твердого тела. Поскольку воздух является отличным изолятором, воздушные карманы, расположенные между этими твердыми волокнами, придают этим твердым телам низкие значения теплопроводности.Одним из таких твердых изоляторов является пенополистирол, который используется в изделиях из пенополистирола. Такие изделия из пенополистирола производятся путем вдувания инертного газа под высоким давлением в полистирол перед впрыском в форму. Газ заставляет полистирол расширяться, оставляя заполненные воздухом карманы, которые способствуют изоляционным свойствам готового продукта. Пенополистирол используется в холодильниках, изоляторах для пластиковых банок, термосах и даже пенопластах для утепления дома. Еще один твердый изолятор — целлюлоза.Целлюлозный утеплитель применяют для утепления чердаков и стен в домах. Он изолирует дома от потери тепла, а также от проникновения звука. Его часто выдувают на чердаки как сыпучий утеплитель из целлюлозы . Он также применяется в качестве войлока из стекловолокна (длинные листы изоляции на бумажной основе) для заполнения промежутков между стойками 2х4 внешних (а иногда и внутренних) стен домов.

Площадь

Другой переменной, влияющей на скорость теплопередачи, является площадь, через которую передается тепло.Например, передача тепла через окна домов зависит от размера окна. Через окно большего размера дом теряет больше тепла, чем через окно меньшего размера того же состава и толщины. Больше тепла будет потеряно из дома через большую крышу, чем через меньшую крышу с такими же изоляционными характеристиками. Каждая отдельная частица на поверхности объекта участвует в процессе теплопроводности. У объекта с большей площадью больше поверхностных частиц, которые проводят тепло.Таким образом, скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит тепло.

Толщина или расстояние

Последней переменной, которая влияет на скорость теплопередачи, является расстояние, на которое тепло должно проходить. Тепло, выходящее через чашку из пенополистирола, будет уходить через чашку с тонкими стенками быстрее, чем через чашку с толстыми стенками. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине чашки.То же самое можно сказать и о тепле, проводимом через слой целлюлозной изоляции в стене дома. Чем толще изоляция, тем ниже коэффициент теплопередачи. Те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, хорошо знают этот принцип. Перед выходом на улицу нам советуют одеваться слоями. Это увеличивает толщину материалов, через которые передается тепло, а также задерживает воздушные карманы (с высокой изоляционной способностью) между отдельными слоями.

Математическое уравнение

На данный момент мы узнали о четырех переменных, которые влияют на скорость теплопередачи между двумя точками. Переменными являются разность температур между двумя местоположениями, материал, присутствующий между двумя местоположениями, площадь, через которую будет передаваться тепло, и расстояние, на которое оно должно быть передано. Как это часто бывает в физике, математическая связь между этими переменными и скоростью теплопередачи может быть выражена в форме уравнения.Рассмотрим передачу тепла через стеклянное окно изнутри дома с температурой T ₁ наружу с температурой T ₂ . Окно имеет площадь А и толщину d. Значение теплопроводности оконного стекла составляет k. Уравнение, связывающее скорость теплопередачи с этими переменными, равно

.

Ставка = k • A • (T ₁ — T ₂ ) / d

Единицы измерения скорости теплопередачи — Джоуль в секунду, также известная как ватт.Это уравнение применимо к любой ситуации, в которой тепло передается в том же направлении через плоскую прямоугольную стенку . Он применяется к проводимости через окна, плоские стены, наклонные крыши (без какой-либо кривизны) и т. Д. Несколько иное уравнение применяется к проводимости через изогнутые стены, такие как стенки банок, стаканов, стаканов и труб. Мы не будем здесь обсуждать это уравнение.

Пример проблемы

Чтобы проиллюстрировать использование приведенного выше уравнения, давайте вычислим скорость теплопередачи в холодный день через прямоугольное окно, равное 1.2 м шириной и 1,8 м высотой, имеет толщину 6,2 мм, значение теплопроводности 0,27 Вт / м / ° C. Температура внутри дома 21 ° C, а температура снаружи -4 ° C.

Чтобы решить эту проблему, нам нужно знать площадь окна. Будучи прямоугольником, мы можем вычислить площадь как ширину • высоту.

Площадь = (1,2 м) • (1,8 м) = 2,16 м ² .

Также нужно будет обратить внимание на единицу по толщине (d).Он указывается в сантиметрах; нам нужно будет преобразовать в единицы метры, чтобы единицы были совместимы с единицами k и A.

d = 6,2 мм = 0,0062 м

Теперь мы готовы рассчитать коэффициент теплопередачи, подставив известные значения в приведенное выше уравнение.

Скорость = (0,27 Вт / м / ° C) • (2,16 м ² ) • (21 ° C — -4 ° C) / (0,0062 м)
Скорость = 2400 Вт (округлено от 2352 Вт)

Полезно отметить, что значение теплопроводности окна дома намного ниже, чем значение теплопроводности самого стекла.Теплопроводность стекла составляет около 0,96 Вт / м / ° C. Стеклянные окна выполнены в виде двух- и трехкамерных окон со слоем инертного газа низкого давления между стеклами. Кроме того, на окна наносятся покрытия для повышения эффективности. В результате возникает ряд веществ, через которые должно последовательно проходить тепло, чтобы отводиться из дома (или в него). Как и электрические резисторы, включенные последовательно, ряд термоизоляторов оказывает аддитивное влияние на общее сопротивление, оказываемое потоку тепла.Накопительный эффект различных слоев материалов в окне приводит к общей проводимости, которая намного меньше, чем у одиночного стекла без покрытия.

Урок 1 этой главы по теплофизике был посвящен значению температуры и тепла. Особое внимание было уделено развитию модели частиц материалов, которая способна объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты попытки развить твердое концептуальное понимание темы в отсутствие математических формул.Это прочное концептуальное понимание сослужит вам хорошую службу по мере того, как вы подойдете к уроку 2. По мере того, как мы исследуем вопрос: как можно измерить количество тепла, выделяемого системой или получаемого ею, глава станет немного более математической? Урок 2 будет относиться к калориметрии.

Проверьте свое понимание

1. Предскажите влияние следующих изменений на скорость передачи тепла через прямоугольный объект, заполнив пробелы.

а. Если площадь, через которую передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость передачи тепла ________________ (увеличивается, уменьшается) в _________ раз (число).

г. Если толщина материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если толщина материала, через который передается тепло, уменьшается в 3 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, увеличивается в 5 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

e. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, уменьшается в 10 раз, то скорость передачи тепла составляет ________________ в _________ раз.

ф. Если разница температур на противоположных сторонах материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

2. Используйте информацию на этой странице, чтобы объяснить, почему слой жира толщиной 2–4 дюйма на белом медведе помогает согреть белых медведей в холодную арктическую погоду.

3. Рассмотрим приведенный выше пример проблемы. Предположим, что место, где расположено окно, заменено стеной с толстым утеплителем. Теплопроводность той же площади будет уменьшена до 0,0039 Вт / м / ° C, а толщина будет увеличена до 16 см.Определите скорость теплопередачи через эту площадь 2,16 м ² .

Границы | Количественная оценка коэффициентов теплопередачи листьев с помощью активной термографии при различных условиях пограничного слоя

Введение

Растения постоянно взаимодействуют с окружающей средой посредством тепло- и массообмена и играют важную роль в гидрологическом и углеродном цикле Земли (Foley et al., 2003). Важнейшим физиологическим процессом, приводящим к газо- и массообмену с атмосферой, является фотосинтез, сопровождающийся транспирацией. Таким образом, тепло- и массообмен между растениями и окружающей их средой значительно влияет на продуктивность растений, водопользование и эффективность водопользования (Shibuya et al., 2006; Schymanski and Or, 2015). В частности, эффективность водопользования представляет интерес в сельском хозяйстве для генетического улучшения и отбора высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур для сельского хозяйства с ограниченными водными ресурсами (Blum, 2009; Munns et al., 2010; Пассиура и Ангус, 2010). Следовательно, изучение тепло- и массообмена растений является ключом к пониманию динамики взаимодействия растений и окружающей среды.

Важным компонентом теплообмена растений является конвективная теплопередача, теплообмен между поверхностью листа и окружающей атмосферой. Тепло проникает через пограничный слой листа, который характеризуется градиентами температуры, концентрации газа и скорости воздуха, определяющими проводимость пограничного слоя (Raschke, 1960; Schuepp, 1993; Schreuder et al., 2001; Фогель, 2009). Поскольку транспирация, то есть потеря тепла через водяной пар, влияет на температуру листа (T _L ) (Gates, 1968), а T _L также влияет на конвективную теплопередачу (Dixon and Grace, 1983), конвекция и транспирация неизбежно связаны. друг другу. Кроме того, транспирация ограничивается проводимостью пограничного слоя. Ветер также влияет на скорость транспирации, удаляя водяной пар в пограничном слое, что приводит к более высокому дефициту давления водяного пара между листьями и воздухом и в конечном итоге может вызвать закрытие устьиц (Grace, 1974; Dixon and Grace, 1983; Bunce, 1985).

Поскольку транспирация, то есть потеря тепла через водяной пар, влияет на температуру листа (T _L ) (Gates, 1968), что также влияет на конвективную теплопередачу (Dixon and Grace, 1983), конвекция и транспирация тесно связаны. Кроме того, реакция устьиц на условия окружающей среды, такие как влажность или концентрация CO2, дополнительно влияет на эти обменные курсы (Grace, 1974; Dixon and Grace, 1983; Bunce, 1985). Проводимость пограничного слоя не может быть измерена напрямую, и ее часто можно аппроксимировать коэффициентами теплопередачи, которые связывают плотности теплового потока на единицу площади листа с разницей между T _L и температурой окружающего воздуха (T _L -T _a ) ( Рашке, 1960; Шуепп, 1993).Коэффициенты теплопередачи в значительной степени зависят от скорости воздуха (принудительная конвекция) или разницы температур (свободная конвекция), которые могут быть дополнительно аппроксимированы безразмерными числами (Defraeye et al., 2013). Обычно как свободная, так и вынужденная конвекция происходит в широком диапазоне условий, определяющих процессы теплообмена в разной степени в зависимости от преобладающих условий (Dixon, Grace, 1983; Monteith, Unsworth, 2008; Nobel, 2009).

На процессы тепло- и массообмена также влияют входящее излучение и теплопроводность.Хотя радиация является важным фактором, влияющим на фотосинтез и транспирацию (Roelfsema and Hedrich, 2005; Pieruschka et al., 2010; Mott and Peak, 2011), вариациями теплопроводности часто пренебрегают при количественном анализе, поскольку теплопроводность листьев растений обычно низкая. (Джаялакшми и Филип, 2010). Низкая теплопроводность листьев растений является результатом относительно высокого содержания воды, что приводит к высокой удельной теплоемкости. Вода является основным компонентом листьев и значительно влияет на теплоемкость листа.Следовательно, содержание воды в листе на единицу площади (LWC), сочность листа, влияет на динамику реакции T _L на поглощение тепла, что, в свою очередь, влияет на динамику конвекции и транспирации (Gates, 1968; Dixon and Грейс, 1983; Бейли и Менесес, 1993). Температурная чувствительность листа, которая описывает, в какой степени и как быстро лист нагревается или остывает, зависит от теплоемкости листа и коэффициента теплоотдачи листа (hleaf), которые можно оценить с помощью постоянной времени (τ) Т _Л динамика.Постоянная времени характеризуется динамической реакцией T _L на различные факторы окружающей среды с τ как произведение теплоемкости листа и обратной величины коэффициента теплопередачи (Jones, 1992; Monteith and Unsworth, 2008; Nobel, 2009). .

Использование τ в качестве меры термочувствительности листьев и для моделирования листьев было предложено в ранних исследованиях 60-х годов с использованием так называемой «техники кривой охлаждения» (Linacre, 1972; Pearman et al., 1972). Согласно этому методу температура листьев или моделей искусственных листьев временно повышается за счет короткого (секундного) теплового импульса и записывается следующая кривая охлаждения.Эта кинетика температурного охлаждения обеспечивает τ, который представляет собой наклон кривой экспоненциального затухания. Например, Linacre, 1972 использовал влажную промокательную бумагу для оценки теплопередачи прозрачных листьев, а Pearman et al. (1972) использовали медные диски для оценки теплопередачи листьев в пологе в полевых условиях. Однако искусственные листья имеют другую теплопроводность по сравнению с тканью листа. Например, теплопроводность меди (400 Вт · м ^-1 K ^-1 ) существенно больше, чем у воды (0.6 Вт м ^-1 K ^-1 ) или листья (0,2-0,5 Вт м ^-1 K ^-1 ) (Jayalakshmy and Philip, 2010). Большая теплопроводность также обеспечивает боковую теплопроводность, которая в тканях листа очень низка. Наконец, теплоемкость различных материалов, используемых в качестве искусственных эталонов, также несопоставима с теплоемкостью листьев, что приводит к неправильной оценке значений τ для реальных листьев.

Исследования с использованием метода кривой охлаждения на неповрежденных листьях в основном выполнялись с использованием термопар или радиометров для измерений T _L (Parlange and Wagoner, 1971; Saldin and Barthakur, 1971; Pearman et al., 1972). Оценка TL с помощью термопар не является полностью неинвазивной, потому что термопары прикреплены к поверхности листа (Kumar and Barthakur, 1971) и, следовательно, могут влиять на теплопередачу листа. Радиометры могут быть предпочтительнее, потому что эти датчики не прикреплены к створке и, следовательно, не нарушают теплопередачу створки. Однако радиометры не предоставляют пространственную информацию о T _L . В последнее время неинвазивное тепловидение стало мощной альтернативой точечным измерениям.Насколько нам известно, существует только одно исследование, в котором τ было получено с помощью термографии на листьях растений. Подобно методу кривой охлаждения Kümmerlen et al. (1999) использовали подход «активной термографии» и измерили неповрежденные листья, заключенные в газообменную кювету. Эти авторы смогли получить LWC из измерений τ и hleaf из измерений газообмена на растениях Ricinus comminus.

Для моделирования процессов теплопередачи в листьях очень актуальна реализация τ (Leigh et al., 2012). Мы пересмотрели этот тип измерений, используя протокол активной термографии с применением коротких импульсов инфракрасного излучения, и проверили термочувствительность контрастных типов листьев (то есть структура листа, сосудистая ткань) ячменя ярового (Hordeum vulgare) и фасоли обыкновенной (Phaseolus vulagris). ). Мы смоделировали реакцию листа на ветер и изменяющуюся освещенность, используя τ и безразмерные числа, и предположили, что τ уменьшается в ответ на ветер с увеличением h _лист . Кроме того, на основе попиксельного вычисления τ из временных рядов тепловых изображений мы предоставляем пространственные карты термочувствительности листьев.Эти пространственные карты позволяют отделить области, в которых тепловая чувствительность в основном определяется теплоемкостью листа, от областей, где тепловая чувствительность в основном определяется процессами теплопередачи. Мы предполагаем, что метод активной термографии может быть мощным инструментом для моделирования теплопередачи листа в четко определенных условиях окружающей среды в лаборатории.

Материалы и методы

Теоретические основы и описание модели

Согласно обычно используемому описанию модели баланса энергии листа в устойчивом состоянии, все поглощенное тепло, возникающее в результате поглощения солнечного и теплового излучения (Φ _в ), рассеивается плотностью теплового потока (Вт · м ^-2 ), а именно плотностью длинноволнового лучистого теплового потока (LW), конвективной плотностью теплового потока (H) и эвапотранспирацией (λE) (Linacre, 1972; Jones, 1992; Monteith and Unsworth, 2008; Nobel, 2009), сокращения см. В таблице 1.

Таблица 1 Список сокращений.

0 = Φin − LW − H − λE (1)

Если лист не находится в равновесии, например, после короткого теплового импульса, T _L временно изменяется, а затем приближается к своему прежнему значению устойчивого состояния. В какой степени нагревается лист и как быстро выделяется тепло, в значительной степени зависит от теплоемкости листа на единицу площади (C Aleaf − 1), которая представляет собой энергию, необходимую на площадь листа для нагрева листа на единицу площади. степень. Разница между балансом энергии листа в равновесном и неравновесном состоянии описывается следующим образом [вывод неравновесного баланса энергии листа см., Например, в Приложении 9 в Jones (1992)]:

CAleafΔTLΔt = ρacp (TL ′ −TL) [gLW + gH + (sγrW)] (2)

При ΔT _L Δt ^-1 при изменении T _L во времени, ρ _a — плотность воздуха, c _p удельная теплоемкость воздуха, T ‘ _L температура листа в неустановившемся режиме, T _L установившаяся температура, g _LW проводимость к длинноволновому излучению тепла, g _H проводимость к конвективное тепло, s наклон, связывающий давление насыщенного пара с температурой воздуха (Penman, 1948), γ постоянная психрометра в Па. K ^-1 , которая изменяется с температурой (например,g., Таблица A.3 в Monteith and Unsworth, 2008), и rW сопротивление водяному пару, которое является суммой сопротивления пограничного слоя водяному пару (r _aW ) и устьичного сопротивления (r _s ). . Состав r _aW учитывает амфистоматозные листья, такие как ячмень и бобы. Для гипостоматозных видов эта формулировка немного отличается (см., Например, Jones, 1992).

Поскольку, произведение ρ _a , c _p и g известно как коэффициент теплопередачи (h), уравнение.2 можно записать как:

CAleafΔTLΔt = (TL′-TL) hleaf (3)

Где h _лист — общий коэффициент теплоотдачи листа и представляет собой сумму коэффициентов теплопередачи для длинноволнового лучистого тепла (h _LW ), коэффициент теплопередачи для конвективного тепла (h _H ) и коэффициент теплопередачи для испарительного тепла (h _λE ).

hleaf = hLW + hH + hλE (4a)

gLW определяется как 4ϵσTa3 ρa − 1cp − 1, где ϵ — коэффициент излучения, а σ — постоянная Стефана-Больцмана.Как указано выше, r _W представляет собой сумму r _aW и r _s , где r _aW предполагается приблизительно равным r _H , сопротивление конвективному теплу, как величина, обратная g _H (Монтейт и Ансуорт, 2008).

Для решения уравнения. 3 используется дифференциальное уравнение первого порядка, которое имеет форму закона охлаждения Ньютона (например, см. Главу 15 и уравнение 15.10 в работе Monteith and Unsworth, 2008):

dTL (t) = 1CAleafhleaf (TL′− TL) (5)

Обратите внимание, что применение закона охлаждения Ньютона предполагает постоянные условия окружающей среды.

На следующем этапе уравнение. 5 может быть решена с помощью следующей экспоненциальной функции (рисунок S1):

dTL * = TL− (TL − TL ′) e − tτ (6)

Где TL ∗ — любое значение T _L во время охлаждения листа, а τ — постоянная времени. , что в соответствии с формулой. 5 произведение теплоемкости листа на единицу площади листа и обратного коэффициента теплоотдачи листа:

τ = CAleaf1hleaf = CAleaf1ρacp (gLW + gH + (sγrW)) (7)

Используя безразмерные числа, gH можно рассчитать следующим образом: уравнение (например, Dixon and Grace, 1983; Bailey and Meneses, 1993):

Nu — число Нуссельта, k — теплопроводность воздуха, а d — средний диаметр листа в метрах.

Nu зависит от преобладающих условий, в частности от того, преобладает свободная или принудительная конвекция. В условиях свободной конвекции, когда нет ветра и теплопередача происходит в основном за счет восходящего тепла от поверхности листа, Nu зависит от еще одного безразмерного числа, числа Грасгофа (Gr):

Числовые константы a и b описывают геометрию a. лист (Schuepp, 1993).

В условиях ветра необходимо учитывать еще одно безразмерное число — число Рейнольдса (Re), которое описывает принудительную конвекцию.В условиях слабого ветра наиболее вероятна смешанная конвекция (Schuepp, 1993), и Nu необходимо рассчитывать с помощью Gr и Re.

Мы определили a и b экспериментально как для листьев ячменя, так и для бобовых с учетом преобладающих ветровых условий. Подробное описание модели, которую мы использовали, и соответствующие значения приведены в дополнительном материале (уравнения от S1 до S8, таблица S1 и рисунки с S1 по S4).

Растительный материал

Все растения были выращены в теплицах IBG-2, Forschungszentrum Jülich весной 2015 года.Мы выращивали яровой ячмень ( Hordeum vulgare, var. Victoriana) и фасоль ( Phaseolus vulgaris var. Shiny). Растения ячменя проращивали в горшках 12 × 12 × 15 см, а растения бобов — в горшках 15 × 15 × 18 см. Горшки заполняли горшечным субстратом, обогащенным 1 г удобрения L ^-1 NPK и 2 г L ^-1 удобрения длительного действия (Einheitserde Typ ED73). Растения помещали на влажные влагоудерживающие ткани.

Растения росли при цикле день-ночь, который составлял 16 часов днем ​​и 8 часов ночью при влажности воздуха около 55% ± 13%.Среднее значение T _a составляло 20,8 ° C ± 2,6 ° C, а максимальное измеренное значение T _a в этот период составляло 30,7 ° C, тогда как минимальное значение T _a составляло 16,8 ° C. В солнечные дни интенсивность света в теплице в полдень достигала максимума около 1300 мкмоль м ^-2 с ^-1 , а минимальная интенсивность освещения составляла около 85 мкмоль м ^-2 с ^-1 , в том числе искусственная. свет, ближе к вечеру. Для измерений растения фасоли были возрастом около 2 недель, а растения ячменя — около 6 недель.

Для всех измерений растения были перемещены из теплицы в лабораторию, где они были адаптированы к темноте в течение примерно 14 часов перед измерениями.

Тепловизор

Для всех измерений мы использовали hr-головку VarioCAM® (InfraTec, Германия). Эта камера оснащена решеткой микроболометров в фокальной плоскости, которая улавливает и интегрирует тепловое инфракрасное излучение в спектральном диапазоне от 7,5 до 14 мкм. Поле зрения (FOV) составляет 30 ° x 23 °, с геометрическим разрешением 640 на 480 пикселей, точностью измерения ± 1 К, с тепловой чувствительностью <30 мК.Изображения были записаны с помощью программного обеспечения IRBIS ® 3 (InfraTec, Германия), которое позволяет в реальном времени отслеживать и корректировать температуры, задавая такие параметры, как ϵ и фоновое излучение. Фоновое излучение измерялось листом смятой алюминиевой фольги, коэффициент излучения (ϵ) был установлен на 0,95 (Nobel, 2009). Несмотря на то, что луч радиатора в основном направлялся на сам лист во время измерений, фоновая температура показывала небольшие изменения в диапазоне 0,3–0,4 К, как измерено алюминиевой фольгой, помещенной в центр луча.Согласно закону Стефана-Больцмана это соответствует переменной входящей фоновой энергии прибл. 2 W m ² , и мы предполагаем, что эти небольшие изменения оказали лишь незначительное влияние на постоянную времени охлаждения листа. Программное обеспечение ИРБИС позволяет экспортировать данные отдельных пикселей и интегрированных областей пикселей, а также данные пикселей в виде текстового файла.

Чтобы адаптировать T _a , измеренный термопарами (тип K, Newport Omega, Германия), к температурам, измеренным термографией, мы разработали процедуру коррекции для T _a .С этой целью мы построили «радиационную ловушку», которая поглощает и излучает все поступающее тепло, создавая эталон, подобный черному телу. Мы использовали коробку 2x2x15 см из черного картона, которая была теплоизолирована слоем пенополистирола толщиной 0,5 см, чтобы минимизировать колебания температуры. Внутренняя сторона коробки была покрыта алюминиевой фольгой, которая была смята и окрашена черной краской с коэффициентом излучения (= 0,95) (TETENAL Europe GmbH, Германия), так что общий коэффициент излучения внутренней коробки был равен 1.В верхней части коробки, всегда обращенной к камере, было отверстие диаметром 1 см. Внутри коробки была помещена термопара, конструкция которой идентична той, которая измеряет T _a вне коробки. Чтобы адаптировать измеренные значения T _и к температурам, полученным с помощью термографии, мы рассчитали разницу между термопарой внутри коробки и температурой отверстия, измеренной с помощью тепловой камеры. В предварительных экспериментах мы сравнили T _L -T _a , полученный термографией, с T _L -T _a , полученным с помощью термопар, и обнаружили, что мы можем использовать прямоугольник в качестве поправочного коэффициента для T _a .

Для активного и кратковременного прогрева листьев с помощью коротких тепловых импульсов мы использовали два коммерческих нагревателя ближнего инфракрасного диапазона (NIR) (Heizmeister 1000 IP65, Infralogic, Германия), оснащенных «световой трубкой с длительным сроком службы (Helen Goldröhre», Infralogic). , Германия), который излучает излучение с максимальной мощностью 1000 Вт · м _-2 в диапазоне от 750 до 2000 нм. Этот спектральный диапазон подходит для активного нагрева листьев, поскольку значимые полосы поглощения воды, расположенные при 1450 и 1950 нм в этом спектральном диапазоне (Gausman and Allen, 1973; Asner, 1998; Seelig et al., 2008; Силиг и др., 2009). Нагревательные блоки были подключены к блоку (Eurolite® ESX-4 DMX, Eurolite, Германия), который управлялся программно (DMX-Configurator, DMX4ALL GmbH, Германия), что позволяло устанавливать интенсивность, продолжительность и интервал тепловых импульсов NIR. Мы приложили к листам тепловой импульс длительностью 1,15 с примерно на половине максимальной мощности.

Экспериментальная установка

Все инструменты были установлены на конструкции из металлического профиля (рисунки S6 и S7). Головка камеры была установлена ​​на высоте 1 м под углом 90 ° к земле.Два обогревателя NIR были размещены на высоте камеры на расстоянии около 30 см от камеры и обращены к земле под углом от 60 ° до 70 °. Кроме того, две белые светодиодные панели (SL 3500-W-G, Photon System Instruments, Чешская Республика) были установлены на высоте камеры под углом примерно 45 ° к земле. Небольшой вентилятор, способный создавать низкие скорости ветра от 0,2 до 1,6 м / с ^-1 , был установлен на вертикальной металлической штанге для создания ламинарных ветровых потоков от кончика створки к основанию створки.Скорость ветра измеряли термоанемометром с горячей проволокой (VT 110, KIMO Instruments, Франция). Листья фиксировали зажимами лабораторного стенда горизонтально к земле, т.е. перпендикулярно камере. T _a измеряли с помощью термопары, которая была прикреплена к лабораторному стенду и защищена от прямого облучения алюминиевой фольгой. Т _, и температура внутри радиационной ловушки регистрировались каждую секунду с помощью регистратора данных (HH506RA, Newport Omega, Германия).

Измерения

Содержание воды в листьях

Для измерений с ячменем случайным образом были выбраны листья на разных стадиях развития.Измерения с фасолью проводились с первичной парой листьев, и растения были не старше 2 недель, потому что листья на разных стадиях развития имели разную форму листа, что теоретически влияет на теплопередачу листа. Неповрежденные листья были адаптированы к темноте и измерены при трех различных скоростях ветра: 0,0 мс ^-1 , 0,5 мс ^-1 и 1,0 мс ^-1 . Для каждого шага скорости ветра измеряли 15 листьев ячменя и 8 листьев фасоли каждого из разных растений. После измерения кривых охлаждения T _L и охлаждения листьев до T _L перед тепловым импульсом устьичную проводимость (g _с ) измеряли с помощью устройства газообмена (Licor-6400, LICOR, Небраска, США.Листья собирали и после этого анализировали на площадь листа и сырой вес. Для определения сухой массы собранные листья сушили в печи при 80 ° C в течение 48 ч до достижения постоянного веса. Мы рассчитали LWC, абсолютное содержание воды в листьях на единицу площади, как разницу между сырым и сухим весом на единицу площади листа.

Обработка ветра

Чтобы вызвать изменения в толщине и проводимости пограничного слоя, отдельные листья подвергались воздействию увеличивающейся скорости ветра, создаваемой небольшим вентилятором, встроенным в установку.Контрольные измерения для моделирования gH были выполнены с адаптированными к темноте листьями при восьми ступенях скорости ветра, 0,0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 и 1,4 м / с ^-1 на отдельном наборе растений. Для фактического эксперимента использовали второй набор растений. Листья, адаптированные к темноте, подвергались усиливающемуся ветру со скоростью 0,0, 0,4, 0,8 и 1,2 м / с ^-1 и измерялись на каждом шаге. После этого листья были адаптированы к свету (плотность потока фотосинтетически активных фотонов) около 1000 мкмоль м-2 с ^-1 с использованием белых светодиодных панелей до T _L и устьичной проводимости (g _с ). ) достигли установившихся значений.Обычно это происходило через 30-40 минут после воздействия света. Листья снова измеряли при четырех скоростях ветра, указанных выше. И снова g _s измеряли с помощью Licor-6400 после каждой кривой охлаждения листа. Обычно g _s стабилизируется и достигает стабильных значений в течение 1 мин.

Обработка данных и анализ

Измерения τ

Мы оценили измеренные кривые охлаждения с помощью двух процедур. В первой процедуре мы использовали средние значения T _L , которые были получены путем определения всего листа как области интереса (программное обеспечение IRBIS® 3, InfraTec, Германия.Программа автоматически интегрирует все пиксели температуры и выдает среднее значение T _L . Затем измеренные кривые охлаждения были подогнаны по формуле. 6, чтобы получить τ из фитинга (Origin 8.5, OriginLab, США).

Во второй процедуре мы сопоставили τ пространственно, вычислив τ для каждого отдельного пикселя изображения. Для этого мы разработали процедуру автоматического анализа для среды MATLAB. Типичный набор данных состоит из n изображений, содержащих матрицу данных с температурами T ^t в измеренное время t .Подгоночная функция TL (t) ij = TL (t∞) ij − dTLije− (t τ − 1) была вычислена для каждого пикселя в позиции ij и имеет вид Eg. 3. Оптимизация аппроксимации кривой была проведена путем минимизации суммы квадратов остатков с использованием симплексного подхода вниз (Nelder and Mead, 1965).

Графический интерфейс пользователя (GUI) поддерживает обработку одной серии изображений или нескольких серий изображений. Необходимые входные данные — это файл Excel, содержащий временные точки каждого записанного изображения и соответствующие изображения в виде текстового файла (ASCII), которые ранее были экспортированы из программы IRBIS® 3.Для импорта данных нескольких серий изображений необходим список (файл Excel) с указанием пути к соответствующему файлу. Затем автоматически загружаются изображения и данные о времени, которые находятся в соответствующем пути к файлу. Кроме того, графический интерфейс предоставляет функции для постобработки τ-матриц. Можно использовать минимальный и максимальный пороги для значений τ. Обычно они устанавливались в диапазоне от 0 до 250 с. Кроме того, значение r экспоненциальной регрессии можно использовать в качестве дополнительного параметра фильтра, который мы установили на r = 0.9487, что соответствует значению r² 0,9. Полученные отфильтрованные, а также нефильтрованные τ-матрицы предоставляются в виде таблиц Excel для дальнейшей ручной постобработки. Пороги, используемые в процедуре постобработки, могут привести к появлению пустых пикселей на изображенном листе, которые были заполнены с использованием среднего значения окружающих пикселей.

Статистический анализ

Статистический анализ проводился с использованием SigmaPlot (Systat Software, Inc., США) и включал дисперсионный анализ (ANOVA), корреляционный анализ Пирсона для линейных отношений и корреляционный анализ Спирмена для нелинейных отношений.Перед каждым ANOVA данные проверялись на нормальное распределение. В случаях, когда нормальное распределение отсутствовало, выполнялся ANOVA по рангам. В каждом случае для попарных сравнений использовали апостериорный критерий Тьюки.

Результаты

Взаимосвязь между LWC и τ адаптированных к темноте листьев

Мы проверили взаимосвязь между τ, полученным с помощью активной термографии, и LWC путем измерения адаптированных к темноте листьев как ярового ячменя, так и фасоли обыкновенной. Эти отношения были оценены при трех различных скоростях ветра, 0.0 мс ^-1 , 0,5 мс ^-1 и 1,0 мс ^-1 (Рисунок 1). Во всех случаях корреляция между τ и LWC была значимой как для ячменя, так и для бобов на всех ступенях скорости ветра (p <0,05). Как правило, линейная регрессия для количественной оценки взаимосвязей выявила уклоны, которые увеличивались с увеличением скорости ветра.

Рис. 1 Зависимость между содержанием воды в листьях на единицу площади (LWC) и постоянной времени (τ) адаптированных к темноте листьев. Взаимосвязь оценивалась при разной скорости ветра 0.0 мс ^-1 (закрытые символы), 0,5 мс ^-1 (открытые символы) и 1,0 мс ^-1 (серые символы). (A) Измерение одиночных листьев ярового ячменя (Hordeum vulgare). Линейная регрессия для измерений при скорости ветра 0,0 мс ^-1 (сплошная линия): y = 0,32x + 6,40, r² = 0,79, p <0,001, для измерений при скорости ветра 0,5 мс ^-1 (пунктирная линия ): y = 0,59x + 7,29, r² = 0,63, p <0,001, а для измерений при скорости ветра 1,0 м · с ^-1 (штрих-пунктирная линия): y = 0.68x + 9,18, r² = 0,48, p <0,05. (B) Измерения одиночных листьев фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris). Линейная регрессия для измерений при скорости ветра 0,0 мс ^-1 (сплошная линия): y = 0,12x + 13,04, r² = 0,72, p <0,01, для измерений при скорости ветра 0,5 мс ^-1 (пунктирная линия ): y = 0,54x + 10,17, r² = 0,51, p <0,05, а для измерений при скорости ветра 1,0 мс ^-1 (штрих-пунктирная линия): y = 0,86x + 8,14, r² = 0,79, р <0,01.Каждая точка представляет собой отдельный лист, который был измерен методом активной термографии, а затем подвергнут деструктивному анализу на LWC.

Изменения параметров теплопередачи листьев, вызванные ветром и светом

Чтобы количественно оценить влияние изменения пограничного слоя на τ, мы сравнили кривые ветра адаптированных к темноте листьев с кривыми ветра адаптированных к свету листьев (Рисунок 2) . И для ячменя, и для бобов мы наблюдали значительные изменения (p <0,05) в τ для адаптированных к темноте и свету листьев в ответ на увеличение скорости ветра (Рисунки 2A, B).Мы охарактеризовали τ-отклик экспоненциальной регрессией и полученную скорость ветра, при которой τ уменьшилось до 50% от своего начального значения (u _0,5 ). Для адаптированных к темноте листьев мы получили u _0,5 — значения 0,26 м с ^-1 и 0,23 м с ^-1 для ячменя и бобов, соответственно. Для адаптированных к свету листьев снижение характеризовалось значениями u _0,5 0,52 м с ^-1 для ячменя и 0,33 м с ^-1 для фасоли. Кроме того, τ-значения адаптированных к свету листьев были значительно ниже по сравнению с адаптированными к темноте листьями (p <0.05 для ячменя и p <0,001 для фасоли). Значительные различия в τ между ячменем и бобами были обнаружены при скорости ветра 0,0 мс ^-1 и 0,8 мс ^-1 (p <0,05). Абсолютные значения τ для листьев фасоли всегда были выше, чем для листьев ячменя, независимо от скорости ветра и состояния адаптации. При нулевом ветре среднее значение τ для фасоли было более чем на 10 с выше, чем для ячменя.

Рис. 2 Изменения параметров теплоотдачи листьев ярового ячменя (Hordeum vulgare) и фасоли (Phaseolus vulgaris) под действием ветра и света.Измерения адаптированных к темноте листьев обозначены закрытыми символами, а измерения адаптированных к свету листьев обозначены открытыми символами. (A , B) Изменения постоянной времени (τ), вызванные ветром и светом. Пунктирные линии представляют скорость ветра, при которой τ уменьшилось до 50% от своего начального значения (u _0,5 ) (C , D) Изменения разницы между температурой листьев и температурой окружающего воздуха, вызванные ветром и светом ( Т _L -Т ). (E , F) Изменения устьичной проводимости, вызванные ветром и светом (g _s ). Планки погрешностей указывают на стандартное отклонение. Для растений ячменя n = 9 отдельных листьев, для бобов n = 10 отдельных листьев.

Мы не смогли наблюдать сопоставимую картину в реакции T _L -T _a как на ветер, так и на свет (Рисунки 2C, D). Для листьев ячменя T _L -T _a , по-видимому, оставался относительно стабильным на протяжении всех измерений (p> 0.05), тогда как адаптированные к свету листья обычно были холоднее, чем адаптированные к темноте. Однако существенные различия между адаптированными к темноте и свету листьями были обнаружены только при скорости ветра 0,0 м / с ^-1 и 0,4 м / с ^-1 (p <0,05). Для адаптированных к темноте листьев фасоли мы наблюдали экспоненциальное уменьшение T _L -T _a в ответ на увеличение скорости ветра и экспоненциальное увеличение в ответ на увеличение скорости ветра для адаптированных к свету листьев (рис. 2D).При нулевом ветре листья, адаптированные к свету, были холоднее, чем листья, адаптированные к темноте. При скорости ветра 0,4 м с ^-1 , T _L -T _{a значения} были аналогичными, а при скорости ветра более 0,4 м с ^-1 адаптированные к свету листья были более теплыми по сравнению с адаптированными к темноте листьями. За исключением скорости ветра 0,4 м / с ^-1 , различия между адаптированными к темноте и свету листьями были значительными (p <0,05).

И для ячменя, и для бобов gs значительно увеличился (p <0.05) в ответ на свет (Рисунки 2E, F). Хотя g _s в среднем немного снизился в ответ на увеличение скорости ветра, мы не обнаружили каких-либо значительных изменений ни для ячменя, ни для фасоли.

Пространственные изменения T

_{, вызванные ветром и светом, L} -T _a

Чтобы оценить изменения теплоотдачи листьев в ответ на ветер и световое освещение, мы нанесли на карту T _L -T _a для типичных листьев. фасоли и ячменя, соответственно (рис. 3).Как правило, адаптированные к темноте листья имели более однородное распределение T _L -T _a по поверхности листа по сравнению с адаптированными к свету листьями (Рисунок S8). Мы наблюдали, что T _L -T _a для адаптированных к темноте листьев, по-видимому, становился более однородным с увеличением скорости ветра с 0,0 до 1,2 м / с ^-1 . Для адаптированных к свету листьев фасоли области между основными жилками обычно выглядят более прохладными по сравнению с областями со сравнительно более высокой плотностью основных жилок. В частности, при нулевом ветре участки листа, на которых расположены жилки более низкого порядка, и участки, расположенные ближе к краям листа, были холоднее, чем центр листа.С увеличением скорости ветра T _L -T _a увеличивался, и области, которые раньше казались более прохладными, становились теплее, особенно на кончике листьев, который был в направлении передней кромки ветра. Для листьев ячменя наблюдаемые закономерности были не такими четкими, как наблюдаемые для листьев бобов (рис. 3B). Например, когда листья были адаптированы к свету при скорости ветра 0,0 м с ^-1 и 0,8 м с ^-1 , средняя жилка была видна только частично, потому что она была теплее по сравнению с листовой пластиной листа.

Рисунок 3 Пространственное отображение изменений температуры листьев, вызванных ветром и светом, и разницы температур окружающего воздуха (T _L -T _a ). (A) Репрезентативный лист фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris) и (B) репрезентативный лист ярового ячменя (Hordeum vulgare). Адаптированные к темноте листья представлены в первом столбце слева и адаптированные к свету листья во втором столбце слева соответственно. Каждая строка представляет измерения при разной скорости ветра 0.0 мс ^-1 , 0,4 мс ^-1 , 0,8 мс ^-1 и 1,2 мс ^-1 . T _L -T _a имеют цветовую кодировку, на что указывает шкала ложных цветов внизу. Минимальные (минимальные) и максимальные (максимальные) значения T _L -T _a приведены на каждой панели.

Пространственные изменения τ, вызванные ветром и светом

Пространственные карты τ предоставляют информацию о термической чувствительности листа, поскольку эта величина связана как с распределением воды в листьях, так и с h _листом .Как мы наблюдали для средних значений, изображения показывают, что с увеличением скорости ветра и со световым освещением τ уменьшалось (Рисунок 4). Наиболее заметными структурами были сосудистые ткани листа, что отражалось сравнительно более высокими значениями τ независимо от скорости ветра и состояния освещения. Хотя мы смогли обнаружить жилки второго и третьего порядка на листе бобов (рис. 4A), мы смогли нанести на карту только главную жилку на листе ячменя (рис. 4B). У адаптированных к темноте листьев самые высокие значения τ были связаны с жилками более крупного порядка у основания листа.Кроме того, градиент от высоких до низких значений τ можно было наблюдать от основания листа до кончика листа и по направлению к краям листа (Рисунок S9). Как правило, под воздействием света τ уменьшалось. Однако наиболее заметными структурами листа были жилки, на что указывают более высокие значения τ по сравнению с листовыми пластинками, где расположены жилки меньшего порядка. Тем не менее, на листьях фасоли были видны крупные жилки, жилки второго и третьего порядка.

Рис. 4 Пространственное картирование изменений постоянной времени (τ), вызванных ветром и светом. (A) Репрезентативный лист фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris) и (B) репрезентативный лист ярового ячменя (Hordeum vulgare). Адаптированные к темноте листья представлены в первом столбце слева и адаптированные к свету листья во втором столбце слева соответственно. Каждая строка представляет измерения при различных скоростях ветра: 0,0 м с ^-1 , 0,4 м с ^-1 , 0,8 м с ^-1 и 1,2 м с ^-1 . T _L -T _a имеют цветовую кодировку, на что указывает шкала ложных цветов внизу.Минимальные (минимальные) и максимальные (максимальные) значения τ приведены на каждой панели.

Мы проанализировали пиксели изображения на предмет нелинейных корреляций с помощью корреляционного анализа Спирмена и обнаружили значительную корреляцию между T _L -T _a и τ для ячменя и бобов на всех экспериментальных уровнях (p <0,05).

Корреляция между смоделированным h

_листом и τ

Используя метод безразмерных чисел, мы рассчитали h _лист для каждого экспериментального уровня (рис. 5).Обратите внимание, что, поскольку смоделированные данные для листьев фасоли при свободной конвекции выявили некоторые недостатки, скорее всего, из-за слабой линейной зависимости между τ и LWC (рис. 1B), эти данные были впоследствии исключены из дальнейшего статистического анализа. Как для ячменя, так и для бобов мы обнаружили очень значимую корреляцию между смоделированным h _листом и измеренным τ (p <0,001). Как правило, h _{листьев} адаптированных к свету листьев были выше по сравнению с h _{листьев} адаптированных к темноте листьев.Связь между h _листа и τ характеризовалась экспоненциальной регрессией, которая выявила время, необходимое для достижения 50% от начального значения (t _0,5 ). Для обоих видов растений t _0,5 были получены значения 5,6 с, что указывает на аналогичную реакцию τ на h _лист . Однако абсолютные значения h _листа были выше для листьев ячменя по сравнению с листьями фасоли. В то время как листья ячменя достигли в среднем максимальных значений 81,8 (± 5,6) Вт м ^-2 K ^-1 (Рисунок 5A), листья бобов достигли в среднем максимальных значений 68.7 (± 2,9) Вт · м ^-2 K ^-1 (Рисунок 5B).

Рисунок 5 Корреляция между смоделированным коэффициентом теплопередачи листа (hleaf) и постоянной времени (τ). Измерения проводились при четырех различных скоростях ветра и в темном (закрытые символы) и адаптированном к свету (открытые символы) состоянии отдельных листьев. Измерения при скорости ветра 0,0 мс ^-1 показаны кружками, 0,4 мс ^-1 показаны треугольниками, 0,8 мс ^-1 показаны квадратами и 1.2 м с ^-1 показаны ромбиками. Листья, адаптированные к темноте, обозначаются закрытыми символами, а листья, адаптированные к свету, обозначаются открытыми символами. (A) Измерения отдельных листьев ярового ячменя (Hordeum vulgare). Экспоненциальная регрессия обозначена пунктирной линией: f (x) = 19,60 + 221,81 e ^-0,12x , r² = 0,97. (B) Измерения отдельных листьев фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris). Экспоненциальная регрессия обозначена пунктирной линией: f (x) = 30,56 + 128,29 e-0.12x, r² = 0,89. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение отдельных листьев. Для ячменя n = 9, а для бобов n = 10.

Вклад h

_LW , h _H и h _λE в общий h _лист

Наконец, мы оценили влияние каждой плавки. коэффициент передачи на габаритные h _{створки} на светоадаптированные листья. Для этой оценки была рассчитана доля соответствующего коэффициента теплопередачи во всем листе h _{(например,г., ч Н ч лист ^-1 ). В то время как hLW не коррелировал с hleaf, как для ячменя, так и для бобов, hH и hλE показали сильную и значимую корреляцию с hleaf (p <0,001). Относительный вклад каждого коэффициента теплопередачи в общую толщину листа значительно изменился в зависимости от скорости ветра (p <0,001) (рис. 6). В то время как относительный вклад hH увеличивался с увеличением скорости ветра, относительный вклад hLW и hλE уменьшался с увеличением скорости ветра.При нулевом ветре hλE оказало наибольшее влияние на hleaf, составляя около 45% от общего hleaf. Однако, хотя и ниже, при 1,2 м / с ^-1 относительный вклад hλE все еще был значительным, составляя 26% и 21% для ячменя и бобов, соответственно.}

Рисунок 6 Относительный вклад нормированных коэффициентов теплопередачи в общий коэффициент теплопередачи листа в зависимости от скорости ветра адаптированных к свету листьев. Коэффициент теплопередачи для тепла эвапотранспирации (h _λE ) в темно-сером цвете, коэффициент теплоотдачи для конвективного тепла (h _H ) в светло-сером и коэффициент теплоотдачи для длинноволнового лучистого тепла (h _LW ) в белом . (A) Ячмень яровой (Hordeum vulgare) и (B) фасоль обыкновенная (Phaseouls vulgaris). Площади представляют собой средние значения n = 9 одиночных листьев для ячменя и n = 10 одиночных листьев для фасоли.

Обсуждение

В этой статье мы представляем метод активной термографии как мощный метод оценки процессов теплопередачи целых листьев. Мы тщательно протестировали протокол активной термографии в лаборатории на листьях ярового ячменя и фасоли, сравнивая измеренное значение τ с смоделированным листом.Мы обнаружили сильную взаимосвязь между τ и hleaf, которая действительна для адаптированных к темноте и свету листьев при различных скоростях ветра. Кроме того, пространственные T _L -T _a — и τ-карты выявили влияние локальных различий в термочувствительности, связанных с различиями C A ^-1 _листа и h _листа , на T _L .

Чтобы оценить измеренные отклики τ относительно изменений h _{, лист} , мы смоделировали h _{, лист} , используя безразмерные числа.Мы оценили смоделированные данные, сравнив C A ^-1 _лист , полученный из безразмерных чисел, и τ, введя C A ^-1 _лист , полученный из линейных отношений, найденных между τ и LWC (рисунки 1, S2 и S5).

Эти модели дали сопоставимые значения с некоторыми различиями при нулевом ветре, особенно для фасоли. Если ветра нет, преобладает свободная конвекция, которая в основном зависит от площади листьев и структуры поверхности (сравните уравнение S3). Поскольку разница в площади листьев была намного выше для листьев фасоли (± 46 см²), чем для листьев ячменя (± 5.5 см²), мы предполагаем высокую изменчивость hleaf, приводящую к ошибкам в линейной зависимости между τ и LWC. Как измерения, так и моделирование теплопередачи в безветренных условиях, предполагая свободную конвекцию, являются трудными, потому что площадь листа и элементы шероховатой поверхности влияют на теплопередачу сильнее, чем во время принудительной конвекции (Kumar and Barthakur, 1971). В частности, для листьев фасоли, мы могли наблюдать большую пространственную неоднородность T _L -T _a по отдельным листьям, аналогично предыдущим моделям (Roth-Nebelsick, 2001), и это может привести к термической нестабильности пограничного слоя (Defraeye et al. ., 2013). Помимо площади листа, шероховатость поверхности, вызванная трихомами и сосудистой тканью, влияет на лист (Parkhurst, 1976; Schreuder et al., 2001). В отличие от фасоли, ячмень имеет относительно плоскую поверхность с равномерно расположенной и параллельной системой жилок (Dannenhoffer et al., 1990; Ueno et al., 2006). У фасоли неровная поверхность с множеством толстых жилок, дихотомически разветвленных, что может нарушать движение воздуха по поверхности листа и влиять на теплопередачу. Кроме того, гетерогенный T _L -T _a может быть результатом неоднородной плотности жилок и распределения устьиц по поверхности листа, которые оба влияют на лист.Было замечено, что проводимость листа для водяного пара была на 18% выше на концах листа по сравнению с основанием листа, что объяснялось более высокой плотностью жилок в этой области (Nardini et al., 2008). В частности, в условиях свободной конвекции и при низких скоростях ветра кончики листьев оказались холоднее по сравнению с основанием листа (рис. 3), что может быть связано с сопоставимой более высокой проводимостью листьев для водяного пара. Неоднородность плотности и распределения устьиц по поверхности листа (Fanourakis et al., 2015), может аналогичным образом повлиять на T _L -T _a .

Наше наблюдение, что измеренное τ и смоделированное уменьшение hleaf в ответ на увеличение скорости ветра, которая влияет на толщину пограничного слоя, согласуется с предыдущими выводами (Raschke, 1960; Vogel, 2009). Как правило, листья ячменя имели более высокие значения листовой и более низкие значения τ по сравнению с листьями бобов. Более мелкие и узкие листья имеют более тонкий и однородный пограничный слой (Gates, 1965; Sinclair, 1970; Roth-Nebelsick, 2001).Однако реакция на ветер для листьев ячменя и бобов была весьма схожей, на что указывают значения u _0,5 (рис. 2). Если присутствует ветер, толщина пограничного слоя листа будет уменьшена, и тепло будет все больше отводиться от поверхности листа с движением воздуха, что увеличивает лист и, таким образом, уменьшает τ (Schuepp, 1993; Vogel, 2009; Defraeye et al., 2013). Предположение о том, что толщина пограничного слоя постепенно уменьшается (Kitano and Eguchi, 1990), подтверждается пространственными T _L -T _a и τ-картами листьев фасоли.В наших экспериментах передняя кромка (верхушка листа) в ответ на ветер становилась более теплой, и τ уменьшалось по сравнению с отклоненной ветром кромкой листа. Для ячменя этот эффект не был заметен, что могло быть связано с более однородным пограничным слоем и более гладкой поверхностью листа, которая оказывает меньшее сопротивление воздушному потоку (Gates, 1965; Sinclair, 1970; Dannenhoffer et al., 1990).

Мы наблюдали уменьшение τ примерно на 24 с и 34 с при освещении для ячменя и бобов, соответственно (Рисунки 2A, B).Основываясь на установленных линейных зависимостях (Рисунок 1), эти изменения будут соответствовать потере воды от 20% до 30%, так что уменьшение τ не может быть объяснено уменьшением LWC. Однако свет вызывает открытие устьиц, что увеличивает hleaf и, в частности, h _λE (Mott et al., 1997; Roelfsema and Hedrich, 2005; Shimazaki et al., 2007; Pieruschka et al., 2010). В наших экспериментах мы обнаружили, что h _λE составляет около 45% от общего hleaf для адаптированных к свету листьев в безветренных условиях.Таким образом, на τ сильно влияет проводимость листа по отношению к водяному пару, хотя относительный вклад h _λE в общий лист уменьшался с увеличением скорости ветра. При более высоких скоростях ветра устьичное сопротивление оказывает большее влияние на потоки водяного пара, чем конвективное сопротивление (Cannon et al., 1979; Defraeye et al., 2013). Следовательно, h _λE , которое зависит как от конвективного, так и от устьичного сопротивления, увеличивается менее сильно в ответ на усиление ветра по сравнению с h _H , которое зависит только от конвективного сопротивления.Таким образом, в этих условиях относительный вклад h _λE в общий hleaf уменьшается, тогда как относительный вклад hH увеличивается. Тем не менее, поскольку листья ячменя и бобов имели высокую скорость транспирации (ячмень: 0,35 (± 0,03) моль м ^-2 с ^-1 , фасоль: 0,22 (± 0,02) моль м ^-2 с ^-1 ), также весьма вероятна некоторая потеря воды, что приводит к еще более сильному уменьшению τ.

Чтобы оценить влияние τ на T _L и, таким образом, тепловую чувствительность на T _L , мы нанесли на карту как τ, так и T _L -T _a (рисунки 3 и 4).Корреляции между T _L -T _a и τ в наших экспериментах указывают на сильную взаимосвязь между T _L и термочувствительностью. Самые высокие значения τ были связаны с сосудистыми тканями листа, потому что жилки листа имеют более высокий C A ^-1 _лист по сравнению с листовой пластиной (McKown et al., 2010; Sack and Scoffoni, 2013). Особенно заметно на листьях фасоли те области, которые были связаны с более высокими значениями τ, также казались более теплыми по сравнению с остальной частью листа.Вблизи жилок плотность устьиц низкая, а вместе с ней и проводимость листа для водяного пара, а значит, и общая теплоотдача листа. Напротив, области между жилками более крупного порядка, где плотность устьиц выше, а вместе с ней и проводимость листа для водяного пара, показали более низкие значения τ и выглядели более холодными. Кроме того, в этих регионах толщина листа меньше и присутствует меньше воды. Мы пришли к выводу, что локальные вариации теплоотдачи листа и воды в листьях (≈ C A ^-1 _лист ) приведут к локальным различиям в термочувствительности листа и, следовательно, к T _L .Используя вычисленные пространственные карты τ, можно отделить области, в которых тепловая чувствительность в основном зависит от C A ^-1 _{, лист} , от тех, в которых тепловая чувствительность в основном зависит от hleaf. Наконец, эти τ-карты могут способствовать исследованиям, направленным на обнаружение неоднородной проводимости листьев для водяного пара (например, Nardini et al., 2008) или обнаружение неоднородности устьиц (например, Fanourakis et al., 2015).

Наши результаты показывают, что h _H имеет важное значение для оценки общего h _листа .Во всех экспериментальных условиях h _H сильно способствовал h _листу (Фиг.6). Только при нулевой скорости ветра в hleaf доминировала h _λE . При всех остальных условиях преобладающим коэффициентом теплопередачи был h _H . Конвективное тепло и транспирация неизбежно связаны, потому что тепло, связанное с водяным паром, должно проникать через пограничный слой в зависимости от преобладающих конвективных условий. Отсюда следует, что моделирование транспирации требует учета конвективных процессов.Поскольку τ является хорошим измерением h _листа , как показано здесь и согласуется с предыдущими отчетами (Pearman, 1972; Parlange and Wagoner, 1971; Saldin and Barthakur, 1971; Kumar and Barthakur, 1971), мы также можем отобразить τ пространственно Используя активную термографию, такой подход должен способствовать более точному моделированию процессов теплопередачи листа в будущем.

Водные отношения растений и h _лист , оба связаны с τ, важны для моделирования взаимодействий растения и окружающей среды (Foley et al., 2003), а также для фенотипирования растений, особенно с учетом необходимого повышения продуктивности растений и эффективности водопользования в условиях ограниченного водных ресурсов (Passioura and Angus, 2010; Sampoux et al., 2011; Farrar et al., 2011). ). Мы предоставляем экспериментальные доказательства того, что τ, измеренный с помощью метода активной термографии, является важным параметром, описывающим процессы теплообмена листа.

Однако мы также хотим отметить новизну нашего подхода, поскольку активная термография еще не получила широкого распространения в науках о растениях.Неопознанные источники ошибок могут все еще сохраняться, как, например, неопределенности в параметризации модели. В то время как значения числовой константы b для свободной и смешанной конвекции (см. Уравнения 7 и 8, таблица S1) находились в диапазоне значений, представленных Диксоном и Грейсом (1983), значения константы a были значительно выше, чем сообщалось. ранее для искусственных листьев в ламинарном потоке воздуха (Bailey & Meneses, 1993). Кроме того, мы обнаружили разные значения a в условиях свободной и смешанной конвекции, тогда как Бейли и Менезес (1993) сообщили, что это не так.Возникает вопрос, позволяют ли различия в экспериментальных установках (например, искусственные листья и листья растений, ламинарный воздушный поток против турбулентного воздушного потока) прямое перекрестное сравнение числовых констант. Применение активной термографии требует постоянных условий окружающей среды во время индуцированного переключения T _L и последующего процесса охлаждения, и, следовательно, этот подход применим только в (полу) контролируемых условиях. Как упоминалось выше, мы измерили небольшое повышение фоновой температуры после применения теплового импульса (0.3–0,4 К). Однако фоновая температура оставалась стабильной во время последующей фазы охлаждения. Таким образом, мы пришли к выводу, что условия окружающей среды поддерживались достаточно стабильными для обеспечения надежных и повторяемых измерений. Тем не менее, мы рекомендуем использовать альтернативный источник тепла для будущих экспериментов. Было бы желательно особенно более короткое время отклика инфракрасных нагревательных элементов. Недавно разработанные ИК-светодиодные панели могут здесь улучшить.

В этом исследовании мы сознательно выбрали реалистичную установку, напоминающую естественные условия, связывающую активную термографию с независимыми параметрами, такими как, например, транспирация листьев.Для дальнейшей проверки нашей параметризации мы стремились протестировать нашу установку в более стандартизированных условиях, включая искусственные эталонные материалы, что также помогло нам откалибровать нашу экспериментальную установку. Измерения с использованием листов фильтровальной бумаги, смачиваемых по-разному (Рисунок S10), подтвердили сильную зависимость кривых охлаждения листьев от содержания воды на площади, как показано на Рисунке 1. Однако нет доступных эталонных материалов, имитирующих сильно изменчивые структурные и физиологические свойства. листьев растения целиком.

Мы пришли к выводу, что активная термография представляет собой мощный инструмент для изучения водного режима растений и процессов теплопередачи, когда условия окружающей среды отслеживаются одновременно и с высокой степенью детализации. Адаптивность метода к полурегулируемым условиям открывает путь к новым применениям активной термографии в науках о растениях, например, в крупномасштабных установках фенотипирования в теплицах.

Вклад авторов

HA: разработал и провел эксперименты, проанализировал данные, задумал проект и написал статью с участием всех авторов.FF: руководил экспериментами, руководил и дополнял текст. РП: руководил экспериментами, контролировал и дополнял текст. MM-L: проанализировал данные и дополнил запись. CJ: дополнил запись, спроектировал и провел дальнейшие эксперименты и проанализировал данные. LS: руководил и дополнял написание. США: руководил и дополнял написание. UR: руководил экспериментами, контролировал и дополнял текст.

Финансирование

Ассоциация Гельмгольца институционально финансирует исследования в IBG-2 Plant Sciences (Программа POF III — Ключевые технологии области исследований — Ключевые технологии для биоэкономики).Часть этой работы была выполнена в рамках Немецкой сети фенотипирования растений (DPPN), которая финансируется Федеральным министерством образования и исследований Германии (номер проекта: 031A053). Авторы также признают финансирование проекта PhenoCrops в контексте Ziel 2 — Программа NRW 2007-2013 «Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung» Министерством инноваций, науки и исследований (MIWF) штата Северный Рейн-Вестфалия (NRW). и Фонды Европейского Союза для регионального развития (EFRE) (005-1105-0035).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Разработанный программный инструмент MATLAB для обработки τ-изображений доступен по адресу https://doi.org/10.5281/zenodo.1195869. Тепловые изображения, использованные в этой рукописи, и расчетная постоянная времени доступны по адресу https://doi.org/10.5281 / zenodo.1205490.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2019.01684/full#supplementary-material

Ссылки

Asner, G. (1998). Биофизические и биохимические источники изменчивости отражательной способности растительного покрова. Remote Sens. Environ. 253, 234–253. doi: 10.1016 / S0034-4257 (98) 00014-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bailey, B.Дж., Менесес, Дж. Ф. (1993). Моделирование листовой конвективной теплопередачи. Acta Holticult. 399, 191–198. doi: 10.17660 / ActaHortic.1995.399.22

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Blum, A. (2009). Эффективное использование воды (EUW), а не эффективность водопользования (WUE) является целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур в условиях стресса, вызванного засухой. Field Crop Res. 112, 119–123. doi: 10.1016 / j.fcr.2009.03.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bunce, J.А. (1985). Влияние проводимости пограничного слоя на реакцию устьиц на влажность. Plant Cell Environ. 8, 55–57. doi: 10.1111 / j.1365-3040.1985.tb01209.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кэннон, Дж. Н., Кранц, В. Б., Крейт, Ф. (1979). Исследование транспирации с пористых плоских пластин, имитирующих листья растений. Внутр. J. Тепломассообмен 22, 469–483. doi: 10.1016 / 0017-9310 (79) -9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Dannenhoffer, J.М., Эберт, У. Дж., Эверт, Р. Ф. (1990). Сосудистая сеть листьев ячменя Hordeum vulgare (Poaceae). Am. J. Bot. 77, 636–652. doi: 10.1002 / j.1537-2197.1990.tb14449.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Defraeye, T., Verboven, P., Ho, Q. T., Nicolai, B. (2013). Прогнозы конвективного тепло- и массообмена на поверхности листьев: приложения, методы и перспективы. Comput. Электрон. В агр. 96, 180–201. doi: 10.1016 / j.compag.2013.05.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Диксон, М., Грейс, Дж. (1983). Естественная конвекция от листьев при реалистичных числах Грасгофа. Plant Cell Environ. 6, 665–670. doi: 10.1111 / 1365-3040.ep11589240

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fanourakis, D., Heuvelink, E., Carvalho, S. M. P. (2015). Пространственная неоднородность устьичных характеристик при удлинении листа: анализ с использованием Rosa hybrida . Funtcional Plan Biol. 42, 737–745. doi: 10.1071 / FP15008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фаррар, К., Брайант, Д. Н., Тернер, Л., Галлахер, Дж. А., Томас, А., Фаррелл, М., и др. (2011). Селекция для производства биоэтанола у Lolium perenne L: ассоциация аллельной изменчивости с высоким содержанием водорастворимых углеводов. Bioenergy Res. 5, 149–157. doi: 10.1007 / s12155-011-9156-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фоли, Дж. А., Коста, М. Х., Делире, К., Раманкутти, Н., Костаз, М. Х., Снайдер, П. (2003). Зеленый сюрприз? Как земные экосистемы могут влиять на климат Земли. Перед. Ecol. Environ. 1, 38–44. doi: 10.2307 / 3867963

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гейтс, Д. М. (1968). Транспирация и температура листьев. Annu. Rev. Plant Physiol. 19, 211–238. doi: 10.1146 / annurev.pp.19.060168.001235

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грейс, Дж. (1974). Воздействие ветра на травы 1. Стоматологическая транспирация кутикулы J. Exp. Бот. 25, 542–551. doi: 10.1093 / jxb / 25.3.542

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джаялакшми, М.С., Филип Дж. (2010). Теплофизические свойства листьев растений и их влияние на температуру окружающей среды. Внутр. J. Thermophysics 31, 2295–2304. doi: 10.1007 / s10765-010-0877-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джонс, Х. Г. (1992). Растения и микроклимат (Кембридж: Издательство Кембриджского университета).

Google Scholar

Кюммерлен, Б., Даув, С., Шмундт, Д., Шурр, У. (1999). «Термография для измерения водного отношения листьев растений», в Справочнике по компьютерному зрению и приложениям , том 3: Системы и приложения , (Лондон: Academic Press), 763–7881.

Google Scholar

Китано М., Эгучи Х. (1990). Влияние плавучести на вынужденную конвекцию в пограничном слое листа. Plant Cell Environ. 13, 965–970. doi: 10.1111 / j.1365-3040.1990.tb01987.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кумар, А., Бартакур, Н. (1971). Измерения конвективного теплообмена растений в аэродинамической трубе. Boundary-Layer Meteorol. 2, 218–227. doi: 10.1007 / BF001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Leigh, A., Севанто, С., Болл, М.С., Клоуз, Дж. Д., Эллсворт, Д. С., Найт, К. А. и др. (2012). Избегают ли толстые листья термического повреждения при критически низкой скорости ветра? New Phytol. 194, 477–487. doi: 10.1111 / j.1469-8137.2012.04058.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Linacre, E. (1972). Температура листьев, сопротивление диффузии и транспирация. Agric. Meteorol. 10, 365–382. doi: 10.1016 / 0002-1571 (72)-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

McKown, A.Д., Кочард, Х., Сак, Л. (2010). Расшифровка гидравлики листа с пространственно явной моделью: принципы архитектуры жилкования и последствия для ее развития. Am. Nat. 175, 447–460. doi: 10.1086 / 650721

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Монтейт, Дж. Л., Ансуорт, М. Х. (2008). Принципы физики окружающей среды (Берлингтон, США: Elsevier Academic Press).

Google Scholar

Мотт, К. А., Пик, Д.(2011). Альтернативный взгляд на контроль транспирации с помощью излучения. Proc. Natl. Акад. Sci. США (PNAS) 108, 19820–19823. doi: 10.1073 / pnas.1113878108

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mott, K. A., Denne, F., Powell, J. (1997). Взаимодействие между устьицами в ответ на изменение влажности. Plant Cell Environ. 20, 1098–1107. doi: 10.1046 / j.1365-3040.1997.d01-138.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Munns, R., Джеймс, Р.А., Сро, Х.Р.Р., Фербанк, Р.Т., Джонс, Х.Г. (2010). Новые методы фенотипирования для скрининга пшеницы и ячменя на предмет положительного ответа на дефицит воды. J. Exp. Бот. 61, 3499–3507. doi: 10.1093 / jxb / erq199

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нардини, А., Гортан, Э., Рамани, М., Саллео, С. (2008). Неоднородность скорости газообмена по поверхности листа табака: эффект гидравлической архитектуры? Plant Cell Environ. 3, 804–812. doi: 10.1111 / j.1365-3040.2008.01798.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Nelder, J., Mead, R. (1965). Симплексный метод минимизации функции. Comput. J. 7, 308–313. doi: 10.1093 / comjnl / 7.4.308

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нобель П.С. (2009). Физико-химическая и экологическая физиология растений (Оксфорд, Великобритания: Elsevier Academic Press).

Google Scholar

Parkhurst, D.Ф. (1976). Влияние волосков листьев verbascum thapsus на тепломассоперенос: переоценка. New Phytol. 76, 453–457. doi: 10.1111 / j.1469-8137.1976.tb01481.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Parlange, J. Y., Wagoner, P. E. (1971). Сопротивление пограничного слоя и распределение температуры на неподвижных и развевающихся листьях: I. Теория и лабораторные эксперименты. Plant Physiol. 48, 437–442. doi: 10.1104 / pp.50.1.60

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Passioura, J.Б., Ангус, Дж. Ф. (2010). Повышение урожайности сельскохозяйственных культур в условиях ограниченного количества воды. Adv. Агрон. 106, 37–67. doi: 10.1016 / S0065-2113 (10) 06002-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пирман, Г. И., Уивер, Х. Л., Таннер, К. Б. (1972). Коэффициенты теплоотдачи пограничного слоя в полевых условиях. Agric. Meteorol 10, 83–92. doi: 10.1016 / 0002-1571 (72)

-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пенман, Х. Л. (1948).Естественное испарение из открытой воды, голой почвы и травы. Proc. R. Soc. A: Математика. Phys. Англ. Sci. 193, 120–145. doi: 10.1098 / rspa.1948.0037

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пиерушка, Р., Хубер, Г., Берри, Дж. А. (2010). Контроль транспирации радиацией. Proc. Natl. Акад. Sci. США (PNAS) 107, 13372–13377. doi: 10.1073 / pnas.0

7107

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рашке, К. (1960). Теплообмен между растением и окружающей средой. Annu. Rev. Plant Physiol. 11, 111–126. doi: 10.1146 / annurev.pp.11.060160.000551

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Roth-Nebelsick, A. (2001). Компьютерный анализ установившейся и переходной теплоотдачи малогабаритных створок свободной и смешанной конвекцией. Plant Cell Environ. 24, 631–640. doi: 10.1046 / j.1365-3040.2001.00712.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sack, L., Scoffoni, C. (2013). Жилкование листа: структура, функции, развитие, эволюция, экология и применение в прошлом, настоящем и будущем. New Phytol. 198, 983–1000. doi: 10.1111 / nph.12253

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Салдин, Т. Ф., Бартакур, Н. (1971). Теплообмен между Phaseolus vulagris и окружающей средой. Кан. J. Bot. 49, 833–838. doi: 10.1139 / b71-123

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sampoux, J. P., Baudouin, P., Bayle, B., Béguier, V., Buordon, P., Chosson, J. F., et al. (2011). Селекция многолетних трав на корм: экспериментальная оценка изменения признаков у диплоидного райграса многолетнего (Lolium perenne L.) сорта, выпущенные за последние четыре десятилетия. Field Crops Res. 123, 117–129. doi: 10.1016 / j.fcr.2011.05.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schreuder, M. D. J., Brewer, C. A., Heine, C. (2001). Смоделировано влияние необмениваемых трихомов на пограничные слои листа и газообмен. J. Theor. Биол. 210, 23–32. doi: 10.1006 / jtbi.2001.2285

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schymanski, S.J., Or, D.(2015). Ветер увеличивает эффективность использования воды листьями. Plant Cell Environ. 39, 1448–1459. doi: 10.1111 / pce.12700

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Силиг, Х. Д., Хоэн, А., Стодик, Л. С., Клаус, Д. М., Адамс, В. В., III, Эмери, В. Дж. (2008). Оценка содержания воды в листьях с использованием коэффициентов отражения листьев в видимом, ближнем и коротковолновом инфракрасном диапазонах. Внутр. J. Remote Sens. 29, 3701–3713. doi: 10.1080 / 01431160701772500

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Seelig, H.Д., Хоэн, А., Стодик, Л. С., Клаус, Д. М., Адамс, В. В., III, Эмери, В. Дж. (2009). Параметры воды растений и индекс влажности листьев R1300 / R1450 по данным дистанционного зондирования: динамика контролируемых условий при развитии стресса от водного дефицита. Ирриг. Sci. 27, 357–365. doi: 10.1007 / s00271-009-0152-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сибуя, Т., Цуруяма, Дж., Китайя, Ю., Киёта, М. (2006). Усиление фотосинтеза и роста рассады томатов за счет принудительной вентиляции в пологе. Sci. Hortic. 109, 218–222. doi: 10.1016 / j.scienta.2006.04.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Симадзаки, К., Дои, М., Ассманн, С. М., Киношита, Т. (2007). Легкая регуляция движения устьиц. Annu. Rev. Plant Biol. 58, 219–247. doi: 10.1146 / annurev.arplant.57.032905.105434

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

FireBID

Эта база данных представляет собой небольшую коллекцию термических свойств материалов, используемых для создания обычных предметов, используемых в домах и офисах.Тепловые свойства, которые имеют отношение к поведению при пожаре, включают теплопроводность (k), массовую плотность (ρ), удельную теплоемкость (Cp), а для материалов, которые могут подвергаться термическому разложению (например, пиролизу), теплоту газификации (Lg). и температура воспламенения (Tig). База данных разбита на четыре категории в соответствии с типами материалов: (1) Металлы, (2) Пластмассы, (3) Древесина и (4) Разное. Для каждой записи тепловые свойства при комнатной температуре и / или температуре воспламенения были собраны из различных источников.Некоторые материалы могут иметь несколько записей из-за различий в оценках тепловых свойств от одного источника к другому. Различия в разных источниках иллюстрируют сложность определения точных значений для k, ρ, Cp, Lg и Tig. Для сложных материалов эти свойства следует рассматривать как эффективные. Кроме того, эти свойства могут значительно изменяться с температурой. Методы оценки тепловых свойств Термические свойства при температуре воспламенения определяются либо посредством температурной поправки к свойствам, определенным при комнатной температуре, либо путем анализа данных конического калориметра.Пример подхода с поправкой на температуру предоставлен Харпером (1); в данном документе тепловая инерция при температуре воспламенения рассчитывается как тепловая инерция при комнатной температуре, умноженная на отношение комнатной температуры к температуре воспламенения: (1) Пример подхода на основе конического калориметра представлен Hopkins & Quintiere (2) и Spearpoint & Quintiere (3).Hopkins & Quintiere (2) проводят анализ данных конического калориметра, полученных для различных значений теплового потока излучающей панели, чтобы предсказать k, ρ, Cp, Lg и Tig для негорючих материалов. Spearpoint & Quintiere (3) распространяют метод, предложенный Hopkins & Quintiere, на случай обугливания материалов. Метод Хопкинса и Квинтьера В методе Хопкинса и Квинтьера используются данные испытаний конического калориметра в сочетании с простой теорией теплопередачи для определения тепловых свойств термически разлагающихся твердых тел.Отправной точкой анализа является одномерное уравнение теплопроводности: (2) где коэффициент температуропроводности, α, считается постоянным. Предполагается, что конвективный и радиационный теплообмен между твердым образцом и окружающим газом происходит на поверхности материала. Перед началом пиролиза можно написать: (3) где k — теплопроводность [Вт / м-К] — чистый поверхностный тепловой поток [Вт / м2] ε — коэффициент излучения [1.0] — Внешний тепловой поток [Вт / м2] hc — Коэффициент конвективной теплопередачи [10 Вт / м2-К] T — Температура твердого тела [К] To — Температура окружающего газа [ 293 K] σ — постоянная Стефана Больцмана [5,67 x 10-8 Вт / м2-K4] α — коэффициент температуропроводности [м2 / с] Глубина нагретого слоя внутри материала известна как глубина проникновения δ.Глубина проникновения определена приблизительно равной: (4) Предполагая, что газификация происходит на твердой поверхности и при фиксированной температуре, называемой температурой воспламенения Tig, а также предполагая, что твердый образец имеет термическую толщину, время воспламенения может быть выражено как: (5) где r — Массовая плотность [кг / м3] — Удельная теплоемкость [Дж / кг-К] Температура воспламенения связана с критическим внешним тепловым потоком, необходимым для возникновения воспламенения; этот критический тепловой поток равен: (6) Также, манипулируя уравнениями 3 и 5, получается следующее соотношение: (7) После начала пиролиза уравнение 3 изменяется следующим образом: (8) (9) где Tv = Tign, ​​а чистый тепловой поток равен: (10) с, — Тепловой поток пламени [Вт / м2] Использование данных конического калориметра с теорией Чтобы определить тепловые свойства данного материала, необходимо провести несколько испытаний конического калориметра при различных значениях теплового потока излучающей панели.Предполагается, что перед испытанием известны массовая плотность и температуропроводность материала. Массовая плотность просто получается из измерения веса. Во время тестирования регистрируются скорость потери массы, время до возгорания и тепловой поток излучаемой панели. На рис. 1 показано типичное изменение величины, обратной корню квадратному из времени воспламенения, в зависимости от теплового потока излучаемой панели. Рисунок 1 — Корень, обратный квадратному корню из времени воспламенения в зависимости от теплового потока излучаемой панели (2) Точка, где наиболее подходящая прямая пересекает ось x, дает оценку критического теплового потока материала.С помощью этой оценки критического теплового потока температура воспламенения Tig может быть рассчитана с использованием уравнения 6. Наконец, используя температуру воспламенения и наклон линейной аппроксимации на рисунке 1, тепловую инерцию kρc можно рассчитать с помощью уравнения 7. После определения тепловой инерции теплопроводность (k) и удельная теплоемкость (Cp) могут быть рассчитаны с использованием заранее определенных значений массовой плотности и температуропроводности. Кроме того, на рис. 2 показано типичное изменение скорости потери массы топлива в зависимости от теплового потока излучающей панели. Рисунок 2 — Коэффициент потери массы топлива в зависимости от теплового потока излучающей панели (2) В установившемся режиме правая часть уравнения 9 равна нулю, и можно записать: (11) Обратный наклон линейной аппроксимации на рисунке 2 дает оценку теплоты газификации. Ссылки 1. Харпер, Чарльз А. Справочник строительных материалов для противопожарной защиты. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2004. ISBN. 2. Hopkins Jr., D. and J.G. Квинтьер. Горючие свойства материалов и прогнозы для термопластов. Журнал пожарной безопасности. 1996, 26. 3. Spearpoint, MJ и Quintiere, JG. Прогнозирование пилотируемого воспламенения древесины в конусном калориметре с использованием интегральной модели — влияние породы, ориентации зерен и теплового потока. Журнал пожарной безопасности. №4 июня 2001 г., т. 36. Свойства при ~ 300 K Недвижимость на Тиг Материал Тиг к ρ КП (kρCp) К LG к ρ КП (kρCp) Тиг LG Номер ссылки [К] [Вт / м-К] [кг / м3] [кДж / кг-К] [кДж2-с-м-4-К-2] [МДж / кг] [Вт / м-К] [кг / м3] [кДж / кг-К] [кДж2-с-м-4-К-2] [МДж / кг] МЕТАЛЛЫ Алюминий 205 13 Алюминий, 6061 167 2700 0.896 404.006 8 Алюминий, 7075 130 2800 0,841 306.124 8 Алюминий, дюралюминий (4% Cu 0,5% Mg) 775 177 2770 0,875 429.004 6 Алюминий, дюралюминий (4% Cu 0,5% Mg) 164 2787 0,883 403,591 8 Алюминий чистый 933 237 2702 0.903 578,258 6 Алюминий чистый 237 2707 0,905 580.611 8 Нержавеющая сталь, AISI 304 1670 14,9 7900 0,477 56.148 6 Нержавеющая сталь, AISI 304 13.8 8000 0,4 44,16 8 Нержавеющая сталь, AISI 316 13,4 8238 0.468 51.662 6 Нержавеющая сталь, AISI 316 13,5 8000 0,46 49.68 8 Нержавеющая сталь, AISI 347 14,2 7978 0,48 54.378 6 Нержавеющая сталь, AISI 347 15 8000 0.42 50,4 8 Нержавеющая сталь, AISI 410 25 7700 0,46 88.55 8 Сталь 50,2 13 Сталь, 0.5% С 54 7833 0,465 196.687 8 Сталь, 1% C 43 7801 0.473 158.665 8 Сталь 1,5% C 36 7753 0,486 135.646 8 Сталь, AISI 1010 63,9 7832 0,434 217.202 6 Сталь, AISI 1010 64 7830 0.434 217.486 8 Сталь, гладкая 60,5 7854 0,434 206.222 6 ПЛАСТИКИ Нейлон 653 1169 2.4 0,33 1169 2,3 0,87 3,8 5 Полиэстер 680 0,2 ​​ 1345 1.15 0,59 1,3 4 Полиэтилен 573 955 0,638 2.3 0,64 955 3 1,8 3,6 5 Полиэтилен 1,9–2,3 1.9-2,3 11 Полиэтилен, пена 1,55 1,55 4 Полиэтилен HD 653 0.43 959 2 0,82 2.30 1,8 2.30 4 Полиэтилен, LD 650 0.38 925 1,55 0,54 1,80 1,2 1,80 4 Полиэтилен, MD 635 0.4 929 1,7 0,63 1,3 4 Полиметилметакрилат 453 1190 0.339, 0,365 1,6 0,43 1190 4,1 2,1 2,8 5 Полиметилметакрилат 578 2.12 9 Полиметилметакрилат 1,4–1,6 11 Полипропилен 640 0.15 880 1.88 0,25 2,00 0,53 2,00 4 Полипропилен 483 0.38 900 6,3 0,367 2 900 2,2 3,1 5 Полипропилен 578 2.15 7 Полипропилен 1,4-2 1,4-2 11 Полистирол 693 1.17 3 Полистирол 629 0,14 1045 1,25 0,18 1.60 0,39 1,60 4 Полистирол 0,033 1,7–2,2 1.7-2,2 11,13 Пенополистирол 649 0,58 1,3–1,9 1,3–1,9 1,11 Полиуретан 0.02 13 Полиуретан, гибкий 651 1.95 1,95 4 Полиуретан, жесткий 651 0,19 1100 1,76 0,37 3.25 0,78 3,25 4 Поливинилхлорид 688 1,31 2 Поливинилхлорид 3.1 3,1 11 Жесткий пенополиуретан 643 0,04 1 Жесткий пенополиуретан 1.2-5,6 1,2-5,6 11 Твердая резина 0,16 1190 6 Мягкая резина 0.13 1100 2,01 0,287 6 SBR 664 0,17 1100 1.88 0,35 2.30 0,78 2.30 4 тефлон 0,35 2200 6 ЛЕС ~ ДРЕВЕСИНА ~ Ясень 0.15–1,3 740 8 Бальза 0,055 1740 6 Бальза 0.05 100 8 Твердая древесина 0,16 720 1,255 0.145 3,068 6,4 красное дерево 0,16 700 8 Дуб 0.17 545 2.385 0,221 6 дуб 0,1-0,4 600 2.39 8 Духовка Дуб сухой 574 0.45 12 Дуб красный 5,1-9,5 5,1-9,5 10 Ясень викторианский 2.57 14 Блэкбатт 2,54 14 ~ МЯГКОЕ ДЕРЕВО ~ Кипарисовик 0.097 465 6 Пихта Дугласа 4,6-8,4 4.6-8,4 10 Пихта Дугласа, фанера 0,12 550 1,2 0,079 8 Ель 0.11 415 2,72 0,124 6 Ель 0,12 600 2.72 0,196 8 Духовка для сухой пихты Дугласа 623 0.16 7 ДСП 0,14 800 1,3 0,146 8 смола сосна 0.14 450 8 Мягкая древесина 0,12 510 1,38 0.084 1,8 2,555 6,4 Ель 0,11 4410 8 Сосна белая 0.11 435 6 Желтая сосна 0,15 640 2,805 0.269 ​​ 6 Красный кедр западный 3.27 14 Красное дерево 3,14 14 Сосна лучистая 3.22 14 Пихта Дугласа 2,64 14 ~ РАЗНОЕ. ДЕРЕВО ~ Гипсокартон 0.17 800 6 ДСП, HD 0,17 1000 1.3 0,221 6 ДСП, LD 0,078 590 1,3 0.060 6 Фанера 0,12 545 1,215 0,079 6 Дерево 0.12-0,04 13 РАЗНОЕ. Акустическая плитка 0,058 290 1.34 0,023 6 Хлопок 0,06 80 0,13 0,001 6 Стекловолокно 0.04 13 Стекло 0,8 13 Стекло, тарелка 1.4 2225 0,835 2,601 6 Стекло, Pyrex 1,4 2500 0.75 2,625 6 Кожа 0,159 998 6 Бумага 0.18 930 1,34 0,224 6 Парафин 0,24 900 2.89 0,624 6 Хладагент, R134a 80,3 1198 1,432 137.758 6 Хладагент, R22 82,6 1183 1,265 123.610 6 Шерстяной войлок 0.04 13 Tig — Температура воспламенения (kρCp) To — Тепловая инерция при комнатной температуре, To.Используйте типовые значения k, ρ, Cp. (kρCp) Tig — тепловая инерция при температуре воспламенения, Tig. (См. Ссылки 4, 5 или 10, чтобы определить используемый метод.) Lg — Теплота газификации. Измерено экспериментально. Lg является обратной величиной крутизны скорости потери массы на единицу площади поверхности в зависимости от внешнего теплового потока. ... Каталожный номер 1 Клири, Т.и Дж. Квинтьер. Характеристики воспламеняемости пенопластов. NISTIR 4664. Гейтерсбург, доктор медицины: Национальный институт стандартов и технологий, 1991. 2 Диллон, С. Анализ испытаний помещения / угла по ISO 9705: моделирование, корреляции и измерения теплового потока. Колледж-Парк, Мэриленд, Мэрилендский университет, 1998. 3 Длугогорский, Б., Д.Папа, р. Могтадери, Э. Кеннеди и Дж. Лукас. Огненные свойства австралийского эвкалипта. Представлено на 4-й Международной научной конференции «Древесина и пожарная безопасность», Высокие Татры, Словацкая Республика, 2000. 4 Харпер, Чарльз А. Справочник строительных материалов для противопожарной защиты. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2004. 5 Хопкинс-младший, Д.и Дж. Квинтьер. «Горючие свойства материалов и прогнозы для термопластов». Журнал пожарной безопасности, 1996, Том 16. С. 197-206. 6 Incropera, F., D.DeWitt, T. Bergman и A. Lavine. Основы тепломассообмена, 6-е издание. John Wiley & Sons, 2007. 7 Янссенс М. Теплофизические свойства древесины и их роль в росте возгорания в ограждающих конструкциях.Гент, Бельгия: Гентский университет, 1991. 8 Линхард IV, Джон Х. и Джон Х. Линхард В. Учебник по теплопередаче, 3-е издание. Кембридж: Phlogiston Press, 2006. 9 Quintiere, J. and M. Harkleroad. Новые концепции измерения свойств распространения пламени. НБСИР 84-2943. Гейтерсбург, Мэриленд: Национальное бюро стандартов, 1984. 10 Spearpoint, M. and J. Quintiere. «Прогнозирование экспериментального воспламенения древесины в конусном калориметре с использованием интегральной модели: влияние видов, ориентации зерен и теплового потока». Журнал пожарной безопасности, 2001, том 36, стр. 391-415. 11 Тьюарсон, А. «Генерация тепла и химических соединений в огне». Справочник SFPE по технике противопожарной защиты, 3-е издание.П. ДиНенно, Под ред. Куинси, Массачусетс: NFPA, 2002, раздел 3, глава 4, стр. 82-161. 12 Тран, Х. и Р. Уайт. «Скорость горения твердой древесины, измеренная калориметром потребления кислорода». Огонь и материалы, 1992, т. 16. С. 197-206. 13 Янг, Хью Д. Университетская физика, 7-е издание, Эддисон-Уэсли, 1992. 14 Янссенс, Марк.Конусный калориметр для измерения теплоты газификации древесины. Интерфлам 93 года. Лондон: Interscience Communications Limited, 1993.

11.2 Тепло, удельная теплоемкость и теплопередача

Проводимость, конвекция и излучение

Теплообмен происходит всякий раз, когда возникает разница температур. Передача тепла может происходить быстро, например, через сковороду, или медленно, например, через стенки изолированного холодильника.

Существует три различных метода теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Иногда все три могут происходить одновременно. См. Рисунок 11.3.

Рис. 11.3 В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее. Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Проводимость — это передача тепла при прямом физическом контакте. Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности. Иногда мы пытаемся контролировать отвод тепла, чтобы чувствовать себя более комфортно. Поскольку скорость теплопередачи у разных материалов разная, мы выбираем ткани, такие как толстый шерстяной свитер, которые замедляют отвод тепла от нашего тела зимой.

Когда вы идете босиком по ковру в гостиной, ваши ноги чувствуют себя относительно комфортно… пока вы не ступите на кафельный пол кухни.Поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру, почему один из них холоднее другого? Это объясняется разной скоростью теплопередачи: материал плитки отводит тепло от вашей кожи с большей скоростью, чем ковровое покрытие, что делает его более холодным.

Некоторые материалы просто проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В целом металлы (например, медь, алюминий, золото и серебро) являются хорошими проводниками тепла, тогда как такие материалы, как дерево, пластик и резина, плохо проводят тепло.

На рисунке 11.4 показаны частицы (атомы или молекулы) в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия частицы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две частицы сталкиваются, энергия передается от частицы с большей кинетической энергией к частице с меньшей кинетической энергией. Когда два тела находятся в контакте, происходит множество столкновений частиц, что приводит к чистому потоку тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Тепловой поток зависит от разности температур ΔT = Thot-TcoldΔT = Thot-Tcold.Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана.

Рис. 11.4. Частицы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этом рисунке частица в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую кинетическую энергию перед столкновением, но ее кинетическая энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью.Напротив, частица в области более высоких температур (слева) имеет большую кинетическую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Конвекция — это передача тепла движением жидкости. Такой тип теплопередачи происходит, например, в котле, кипящем на плите, или во время грозы, когда горячий воздух поднимается к основанию облаков.

Советы для успеха

На обиходе термин жидкость обычно означает жидкость.Например, когда вы заболели и врач говорит вам «выпить жидкости», это означает только пить больше напитков, а не вдыхать больше воздуха. Однако в физике жидкость означает жидкость или газ . Жидкости движутся иначе, чем твердый материал, и даже имеют свой собственный раздел физики, известный как гидродинамика , который изучает их движение.

При повышении температуры жидкости они расширяются и становятся менее плотными. Например, на рис. 11.4 может быть изображена стенка воздушного шара с газами внутри шара разной температуры, чем снаружи в окружающей среде.Более горячие и, следовательно, быстро движущиеся частицы газа внутри воздушного шара ударяются о поверхность с большей силой, чем более холодный воздух снаружи, заставляя воздушный шар расширяться. Это уменьшение плотности по отношению к окружающей среде создает плавучесть (тенденцию к повышению). Конвекция обусловлена ​​плавучестью — горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотен, чем окружающий воздух.

Иногда мы контролируем температуру своего дома или самих себя, контролируя движение воздуха. Герметизация дверей герметичной изоляцией защищает от холодного ветра зимой.Дом на рис. 11.5 и горшок с водой на плите на рис. 11.6 являются примерами конвекции и плавучести, созданными человеком. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую и являются примерами естественной конвекции.

Рис. 11.5 Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается, образуя конвективную петлю, которая передает энергию другим частям комнаты. По мере того, как воздух охлаждается у потолка и внешних стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем воздух в помещении, и опускается на пол.Правильно спроектированная система отопления, подобная этой, в которой используется естественная конвекция, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 11.6 Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого котла с водой. Попав внутрь жидкости, теплопередача к другим частям кастрюли происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается по плотности и поднимается, передавая тепло другим частям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется, пока в кастрюле есть вода.

Излучение — это форма передачи тепла, которая происходит при испускании или поглощении электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых имеют разные длины волн и количество энергии (более короткие волны имеют более высокую частоту и больше энергии).

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня и солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее дверцы и не заглядывая внутрь — она ​​может просто согреть вас, когда вы пройдете мимо.Другой пример — тепловое излучение человеческого тела; люди постоянно излучают инфракрасное излучение, которое не видно человеческому глазу, но ощущается как тепло.

Излучение — единственный метод передачи тепла, при котором среда не требуется, а это означает, что тепло не должно вступать в прямой контакт с какими-либо предметами или переноситься ими. Пространство между Землей и Солнцем в значительной степени пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности. Вместо этого тепло передается за счет излучения, и Земля нагревается, поскольку она поглощает электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем.

Рис. 11.7 Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет передает относительно небольшую тепловую энергию. Поскольку кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него. (Дэниел X. О’Нил)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение (см. Рисунок 11.7). Скорость передачи тепла излучением в основном зависит от цвета объекта. Черный — наиболее эффективный поглотитель и радиатор, а белый — наименее эффективный.Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет горячее, чем прилегающие участки травы в летний день, потому что черный цвет поглощает лучше, чем зеленый. Верно и обратное: черный цвет излучает лучше, чем зеленый. Ясной летней ночью черный асфальт будет холоднее, чем зеленый участок травы, потому что черный излучает энергию быстрее, чем зеленый. Напротив, белый цвет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает почти все излучение.

Виртуальная физика

Формы и изменения энергии

В этой анимации вы исследуете теплопередачу с различными материалами. Поэкспериментируйте с нагревом и охлаждением железа, кирпича и воды. Для этого нужно перетащить объект на пьедестал и затем удерживать рычаг в положении «Нагреть» или «Охлаждать». Перетащите термометр рядом с каждым объектом, чтобы измерить его температуру — вы можете в режиме реального времени наблюдать, как быстро он нагревается или охлаждается.

Теперь попробуем передать тепло между объектами.Нагрейте кирпич и поместите его в прохладную воду. Теперь снова нагрейте кирпич, но затем поместите его поверх утюга. Что ты заметил?

Выбор опции быстрой перемотки вперед позволяет ускорить передачу тепла и сэкономить время.

Проверка захвата

Сравните, насколько быстро различные материалы нагреваются или охлаждаются. Основываясь на этих результатах, какой материал, по вашему мнению, имеет наибольшую удельную теплоемкость? Почему? Какая из них имеет наименьшую удельную теплоемкость? Можете ли вы представить себе реальную ситуацию, в которой вы хотели бы использовать объект с большой удельной теплоемкостью?

1. Вода занимает больше всего времени, а железу нужно меньше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
2. Вода занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
3. Кирпич занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
4. Вода занимает меньше всего времени, а кирпичу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

.

No related posts.