Рекомендации по определению теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов (стр. 9 )

Коэффициент теплопроводности льда равен 2,0, т. е. в 100 раз больше, чем у воздуха (таблица 5).

Приложение Б

Теплофизическая характеристика – теплоемкость

Теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании определенное количество тепла. При охлаждении материалы выделяют тепло, причем тем больше, чем выше их теплоемкость. Коэффициент теплоемкости равен количеству тепла (Дж), необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 К. Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетон, природные каменные материалы) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг×К), древесины – 0,7 кДж/(кг×К), вода имеет наибольшую теплоемкость – 4 кДж/(кг×К).

С повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. Этот показатель имеет большое значение при проверке теплоотдачи стен и перекрытий, расчете подогрева материалов для зимних работ. На значение удельной теплоемкости влияет температура и другие термодинамические параметры. Измерение удельной теплоемкости воды дает разные результаты при разной температуре (например: 20°C и 60°C). Удельная теплоемкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам (давлению, объему и т. д.); например, удельная теплоемкость при постоянном давлении (CP) и при постоянном объеме (CV) различны. Формула расчета удельной теплоемкости:

,

где С – удельная теплоемкость;

Q – количество теплоты, полученное при нагреве (или выделившееся при охлаждении);

m – масса нагреваемого (охлаждающегося) материала (вещества);

ΔT – разность конечной и начальной температур материала (вещества).

1 – Значения удельной теплоемкости некоторых веществ

Вещество	Агрегатное состояние	Удельная теплоемкость, кДж/(кг·К)
Воздух (сухой)	Газ	1,005
Воздух (100% влажность)	Газ	1,03
Железо	Твердое тело	0,444
Чугун	Твердое тело	0,54
Кислород	Газ	0,92
Вода 373 К (100°C)	Газ	2,02
Вода	Жидкость	4,187
Лед	Твердое тело	2,06

2 – Значения удельной теплоемкости для некоторых строительных материалов

Вещество	Удельная теплоемкость, кДж/(кгºК)
Асфальт	0,92
Силикатный кирпич	1,0
Бетон	0,88
Гранит	0,79
Гипс	1,09
Мрамор	0,88
Песок	0,84
Сталь	0,47
Почва	0,8

Приложение В

Метод мгновенного точечного источника теплоты

Основным достоинством стационарных методов является высокая точность, так как на результат не влияет начальное распределение температур в образце и теплоемкость датчиков. Стационарные методы наиболее приемлемы для исследования мерзлых грунтов и вблизи границы фазового перехода. При измерениях влажных талых грунтов и возникновении температурного градиента начинает происходить миграция влаги к источнику холода. Известно большое количество установок по определению коэффициента теплопроводности, основанных на стационарном методе. Существенным недостатком установок, основанных на стационарной методике является длительное время измерения, чем больше размер образца и меньше градиент температур, тем ниже скорость измерений.

Нестационарные методы подразделяются на:

– начальной стадии теплового процесса;

– исключительно нестационарные;

– регулярного теплового режима;

– квазистационарные.

Метод начальной стадии теплового процесса характеризуется значительным влиянием начальных и граничных условий исследования, свойств и размеров образца на получаемые результаты. Такие установки позволяют измерять целый комплекс теплофизических свойств материалов и мерзлых грунтов в частности, за счет возможности задания небольшого градиента температур.

К нестационарным методам можно отнести импульсный способ и мгновенного источника тепла. Импульсный метод базируется на скоростном самонагреве образца под воздействием импульса электрического тока и измерении изменения температуры в зависимости от времени. Развитие этого метода стало возможным в связи с появлением пирометрии высокоскоростного разрешения и быстродействующих (микро - и наносекундных) аналого-цифровых преобразователей, позволяющих без потерь заносить информацию в память компьютера. Импульсные методы особенно перспективны для исследования теплоемкости и других теплофизических свойств в экстремальных условиях (вблизи точки плавления, в условиях теплового удара и т. д.), когда длительное поддержание системы на высоком температурном уровне представляет технически сложную задачу. При использовании импульсных методов имеют в виду, что в силу резкого изменения температуры образца во времени они зачастую неприменимы для материалов с большим временем релаксации тепловых процессов, например, полимеров. Эта особенность при возможности варьировать мощностью импульсов оказывается полезной при исследовании релаксационных процессов.

Метод регулярного теплового режима основан на исследовании упорядоченного теплового процесса, когда распределение температуры для различных точек системы становится неизменным и не зависит от начальных условий. Автор методики . Метод заключается в определении темпа охлаждения (нагрева) образца, помещенного в среду с постоянной температурой. Разработано значительное количество приборов по измерению коэффициента теплопроводности грунтов в талом и мерзлом состояниях. К достоинствам метода относят теоретическую обоснованность и возможность исследования образцов различных форм и размеров. К недостаткам относят трудоемкость вычисления искомых параметров и значительный объем необходимого оборудования. Квазистационарный тепловой метод основан на условии постоянства скорости теплового нагрева образца или теплового потока на его поверхности.

Эти методы относятся к скоростным и позволяют путем несложных вычислений находить искомые величины теплофизических свойств. Их разработкой занимались , . Разработан метод с использованием подвижного точечного источника тепловой энергии, в качестве которого может применяться лазер.

Научное направление технологической теплофизики было создано академиком . В его основу были положены усовершенствования математической теории теплообмена, в частности метода источников теплоты.

В математической теплофизике используется метод Грина, его аналог в теплопроводности твердых тел − уравнение Кельвина − фундаментальное решение уравнения теплопроводности. Оно описывает изменение температуры в неограниченном твердом теле, происходящее после выделения конечного количества теплоты в виде мгновенного точечного источника. Тепловой процесс в неограниченном теле, вызванный источником теплоты любой формы и интенсивности, действующий постоянно или временно, движущийся или неподвижный, может быть изображен как комбинация температурных полей, создаваемых мгновенными точечными источниками теплоты. На практике различают три механизма распространения тепла: теплопроводность, конвекция, и передача тепла излучением. Технологическая теплофизика в силу особенностей технологических процессов основана на положениях теории теплопроводности.