Untuk mempelajari konduktivitas termal suatu zat, dua kelompok metode digunakan: stasioner dan non-stasioner.
Teori metode stasioner lebih sederhana dan lebih berkembang sepenuhnya. Tetapi metode non-stasioner, pada prinsipnya, selain koefisien konduktivitas termal, memungkinkan memperoleh informasi tentang difusivitas termal dan kapasitas panas. Oleh karena itu, dalam Akhir-akhir ini Banyak perhatian diberikan pada pengembangan metode non-stasioner untuk menentukan sifat termofisika zat.
Di sini, beberapa metode stasioner untuk menentukan konduktivitas termal zat dipertimbangkan.
sebuah) Metode lapisan datar. Dengan aliran panas satu dimensi melalui lapisan datar, koefisien konduktivitas termal ditentukan oleh rumus
di mana D- ketebalan, T 1 dan T 2 - suhu permukaan sampel "panas" dan "dingin".
Untuk mempelajari konduktivitas termal dengan metode ini, perlu dibuat fluks panas yang mendekati satu dimensi.
Biasanya suhu diukur tidak pada permukaan sampel, tetapi pada jarak tertentu dari mereka (lihat Gambar 2.), oleh karena itu, perlu untuk memperkenalkan koreksi ke dalam perbedaan suhu yang diukur untuk perbedaan suhu di lapisan pemanas dan pendingin, untuk meminimalkan hambatan termal kontak.
Saat mempelajari zat cair, untuk menghilangkan fenomena konveksi, gradien suhu harus diarahkan sepanjang medan gravitasi (turun).
Beras. 2. Skema metode lapisan datar untuk mengukur konduktivitas termal.
1 – sampel uji; 2 - pemanas; 3 - kulkas; 4, 5 - cincin isolasi; 6 – pemanas keamanan; 7 - termokopel; 8, 9 - termokopel diferensial.
b) Metode Jaeger. Metode ini didasarkan pada penyelesaian persamaan panas satu dimensi yang menggambarkan perambatan panas sepanjang batang yang dipanaskan oleh arus listrik. Kesulitan menggunakan metode ini terletak pada ketidakmungkinan menciptakan kondisi adiabatik yang ketat pada permukaan luar sampel, yang melanggar satu dimensi fluks panas.
Rumus perhitungan terlihat seperti:
(14)
di mana S- konduktivitas listrik sampel uji, kamu adalah penurunan tegangan antara titik ekstrim di ujung batang, DT adalah perbedaan suhu antara bagian tengah batang dan titik di ujung batang.
Beras. 3. Skema metode Jaeger.
1 - tungku listrik; 2 - sampel; 3 - trunnion untuk mengencangkan sampel; T 1 T 6 - titik terminasi termokopel.
Metode ini digunakan dalam studi bahan konduktif listrik.
v) Metode lapisan silinder. Cairan yang diselidiki (bahan curah mengisi lapisan silinder yang dibentuk oleh dua silinder koaksial. Salah satu silinder, paling sering internal, adalah pemanas (Gbr. 4).
Gambar 4. Skema metode lapisan silinder
1 - silinder dalam; 2 - pemanas utama; 3 - lapisan zat uji; 4 - silinder luar; 5 - termokopel; 6 - silinder keamanan; 7 - pemanas tambahan; 8 - tubuh.
Mari kita pertimbangkan secara lebih rinci proses stasioner konduksi panas di dinding silinder, suhu permukaan luar dan dalam yang dipertahankan konstan dan sama dengan T 1 dan T 2 (dalam kasus kami, ini adalah lapisan zat sedang dipelajari 5). Mari kita tentukan fluks panas yang melalui dinding dengan syarat bahwa diameter dalam dinding silinder adalah d 1 = 2r 1, dan diameter luar adalah d 2 = 2r 2 , l = konstan, dan panas hanya merambat dalam arah radial .
Untuk menyelesaikan masalah, kami menggunakan persamaan (12). Dalam koordinat silinder, ketika 
; persamaan (12), menurut (10), mengambil vit:
. (15)
Mari kita perkenalkan notasinya dT/dr= 0, kita dapatkan
Setelah mengintegrasikan dan mempotensiasi ekspresi ini, meneruskan ke variabel asli, kami mendapatkan:
. (16)
Seperti dapat dilihat dari persamaan ini, ketergantungan T=f(r) adalah logaritmik.
Konstanta integrasi C 1 dan C 2 dapat ditentukan dengan mensubstitusi kondisi batas ke dalam persamaan ini:
pada r \u003d r 1 T \u003d T 1 dan T 1 \u003d C 1 ln r1+C2,
pada r=r2 T=T2 dan T 2 \u003d C 1 ln r2+C2.
Solusi dari persamaan ini sehubungan dengan DENGAN 1 dan Dari 2 memberikan:
; 
Mengganti ekspresi ini untuk Dari 1 dan Dari 2 ke dalam persamaan (1b), kita mendapatkan
(17)
aliran panas melalui area permukaan silinder dengan radius R dan panjang ditentukan dengan menggunakan hukum Fourier (5)
.
Setelah substitusi, kita mendapatkan
. (18)
Koefisien konduktivitas termal l pada nilai yang diketahui Q, T 1 , T 2 , D 1 , D 2 , dihitung dengan rumus
. (19)
Untuk menekan konveksi (dalam kasus cairan), lapisan silinder harus memiliki ketebalan kecil, biasanya pecahan milimeter.
Pengurangan kerugian akhir dalam metode lapisan silinder dicapai dengan meningkatkan rasio / D dan pemanas keamanan.
G) metode kawat panas. Dalam metode ini, hubungan / D meningkat dengan menurun D. Silinder bagian dalam diganti dengan kawat tipis, yang merupakan pemanas dan termometer resistansi (Gbr. 5). Sebagai hasil dari desain yang relatif sederhana dan pengembangan teori yang terperinci, metode kawat panas telah menjadi salah satu yang paling maju dan akurat. Dalam praktik studi eksperimental konduktivitas termal cairan dan gas, ia menempati tempat terdepan.
Beras. 5. Skema sel pengukur dibuat sesuai dengan metode kawat panas. 1 - kawat pengukur, 2 - tabung, 3 - zat uji, 4 - kabel arus, 5 - outlet potensial, 6 - termometer eksternal.
Di bawah kondisi bahwa seluruh fluks panas dari bagian AB merambat secara radial dan perbedaan suhu T 1 - T 2 tidak besar, sehingga l = konstanta dapat dipertimbangkan dalam batas-batas ini, konduktivitas termal zat ditentukan oleh rumus
, (20)
di mana Q AB = T×U AB adalah daya yang hilang pada kawat.
e) metode bola. Ini menemukan aplikasi dalam praktik mempelajari konduktivitas termal cairan dan bahan curah. Substansi yang diteliti diberi bentuk lapisan bola, yang pada prinsipnya memungkinkan untuk mengecualikan kehilangan panas yang tidak terkendali. Secara teknis, cara ini agak rumit.
Apapun skala konstruksinya, langkah pertama adalah mengembangkan proyek. Gambar tidak hanya mencerminkan geometri struktur, tetapi juga perhitungan karakteristik termal utama. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengetahui konduktivitas termal bahan bangunan. Tujuan utama konstruksi adalah untuk membangun struktur yang tahan lama, struktur tahan lama yang nyaman tanpa biaya pemanasan yang berlebihan. Dalam hal ini, sangat penting untuk mengetahui koefisien konduktivitas termal bahan.
Bata memiliki konduktivitas termal terbaik
Karakteristik indikator
Istilah konduktivitas termal mengacu pada transfer energi panas dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Pertukaran berlanjut sampai kesetimbangan suhu tercapai.
Perpindahan panas ditentukan oleh lamanya waktu di mana suhu di tempat sesuai dengan suhu lingkungan. Semakin kecil interval ini, semakin besar konduktivitas termal bahan bangunan.
Untuk mengkarakterisasi konduktivitas panas, konsep koefisien konduktivitas termal digunakan, yang menunjukkan berapa banyak panas yang melewati area permukaan ini dan itu dalam waktu ini dan itu. Semakin tinggi angka ini, semakin besar perpindahan panas, dan bangunan menjadi lebih cepat dingin. Jadi, saat mendirikan struktur, disarankan untuk menggunakan bahan bangunan dengan konduktivitas panas minimal.
Dalam video ini Anda akan belajar tentang konduktivitas termal bahan bangunan:
Cara menentukan kehilangan panas
Elemen utama bangunan tempat panas keluar:
- pintu (5-20%);
- jenis kelamin (10-20%);
- atap (15-25%);
- dinding (15-35%);
- jendela (5-15%).
Tingkat kehilangan panas ditentukan menggunakan imager termal. Merah menunjukkan area yang paling sulit, kuning dan hijau menunjukkan lebih sedikit kehilangan panas. Zona dengan kerugian paling sedikit disorot dengan warna biru. Nilai konduktivitas termal ditentukan di laboratorium, dan material tersebut mengeluarkan sertifikat kualitas.
Nilai konduktivitas panas tergantung pada parameter berikut:
- Porositas. Pori-pori menunjukkan heterogenitas struktur. Ketika panas melewati mereka, pendinginan akan minimal.
- Kelembaban. Tingkat kelembaban yang tinggi memicu perpindahan udara kering oleh tetesan cairan dari pori-pori, yang karenanya nilainya meningkat berkali-kali lipat.
- Kepadatan. Kepadatan yang lebih tinggi mendorong interaksi partikel yang lebih aktif. Akibatnya, perpindahan panas dan penyeimbangan suhu berlangsung lebih cepat.
Koefisien konduktivitas termal
Di rumah, kehilangan panas tidak bisa dihindari, dan itu terjadi ketika suhu di luar jendela lebih rendah daripada di dalam ruangan. Intensitas adalah variabel dan tergantung pada banyak faktor, yang utamanya adalah sebagai berikut:
- Luas permukaan yang terlibat dalam perpindahan panas.
- Indikator konduktivitas termal bahan bangunan dan elemen bangunan.
- perbedaan suhu.
Huruf Yunani digunakan untuk menunjukkan konduktivitas termal bahan bangunan. Satuan pengukuran adalah W/(m×°C). Perhitungan dilakukan untuk 1 m² dinding setebal satu meter. Perbedaan suhu 1°C diasumsikan di sini.
Studi kasus
Secara konvensional, bahan dibagi menjadi isolasi panas dan struktural. Yang terakhir memiliki konduktivitas termal tertinggi, dinding, langit-langit, dan pagar lainnya dibangun darinya. Menurut tabel bahan, saat membangun dinding beton bertulang untuk memastikan pertukaran panas yang rendah dengan lingkungan ketebalannya harus sekitar 6 m. Tapi kemudian bangunannya akan besar dan mahal.
Jika perhitungan konduktivitas termal yang salah selama desain, penghuni rumah masa depan hanya akan puas dengan 10% panas dari sumber energi. Oleh karena itu, rumah yang terbuat dari bahan bangunan standar disarankan untuk diisolasi tambahan.
Saat melakukan waterproofing insulasi yang benar, kelembaban tinggi tidak mempengaruhi kualitas insulasi termal, dan ketahanan bangunan terhadap perpindahan panas akan menjadi jauh lebih tinggi.
Paling pilihan terbaik- gunakan pemanas
Pilihan paling umum adalah kombinasi struktur pendukung yang terbuat dari bahan berkekuatan tinggi dengan insulasi termal tambahan. Misalnya:
- Rumah papan kayu. Isolasi ditempatkan di antara tiang. Terkadang, dengan sedikit penurunan perpindahan panas, diperlukan insulasi tambahan di luar rangka utama.
- Konstruksi bahan standar. Ketika dindingnya terbuat dari batu bata atau blok cinder, isolasi dilakukan dari luar.
Bahan bangunan untuk dinding luar
Dinding hari ini sedang dibangun dari bahan yang berbeda, namun, yang paling populer adalah: kayu, batu bata dan blok bangunan. Perbedaan utama adalah kepadatan dan konduktivitas panas bahan bangunan. Analisis perbandingan memungkinkan Anda untuk menemukan rata-rata emas dalam rasio antara parameter ini. Semakin besar densitas, semakin besar daya dukung material, dan karenanya seluruh struktur. Tetapi resistansi termal menjadi lebih kecil, yaitu, biaya energi meningkat. Biasanya pada kepadatan yang lebih rendah ada porositas.
Koefisien konduktivitas termal dan densitasnya.
Isolasi dinding
Pemanas digunakan ketika tidak ada cukup ketahanan termal dari dinding luar. Biasanya, untuk menciptakan iklim mikro yang nyaman di dalam ruangan, ketebalan 5-10 cm sudah cukup.
Nilai koefisien diberikan dalam tabel berikut.
Konduktivitas termal mengukur kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan panas melalui dirinya sendiri. Itu sangat tergantung pada komposisi dan strukturnya. Bahan padat seperti logam dan batu adalah konduktor panas yang baik, sedangkan bahan dengan kepadatan rendah seperti gas dan insulasi berpori adalah konduktor yang buruk.
Konduktivitas termal adalah karakteristik termofisika yang paling penting dari bahan. Ini harus diperhitungkan saat merancang perangkat pemanas, memilih ketebalan lapisan pelindung, dan memperhitungkan kehilangan panas. Jika buku referensi yang sesuai tidak tersedia atau tidak tersedia, dan komposisi bahan tidak diketahui secara pasti, konduktivitas termalnya harus dihitung atau diukur secara eksperimental.
Komponen konduktivitas termal bahan
Konduktivitas termal mencirikan proses perpindahan panas dalam benda homogen dengan dimensi keseluruhan tertentu. Oleh karena itu, parameter awal untuk pengukuran adalah:
- Area yang arahnya tegak lurus dengan arah aliran panas.
- Waktu terjadinya perpindahan energi panas.
- Perbedaan suhu antara bagian yang terpisah dan paling jauh dari suatu bagian atau benda uji.
- Daya sumber panas.
Untuk menjaga akurasi hasil yang maksimal, diperlukan kondisi perpindahan panas yang stasioner (menetap dalam waktu). Dalam hal ini, faktor waktu dapat diabaikan.
Konduktivitas termal dapat ditentukan dengan dua cara - absolut dan relatif.
Metode absolut untuk menilai konduktivitas termal
Dalam hal ini, nilai langsung dari fluks panas ditentukan, yang diarahkan ke sampel yang diteliti. Paling sering, sampel diambil sebagai batang atau pelat, meskipun dalam beberapa kasus (misalnya, ketika menentukan konduktivitas termal elemen yang ditempatkan secara koaksial), mungkin terlihat seperti silinder berongga. Kerugian dari spesimen pipih adalah kebutuhan untuk paralelisme bidang yang ketat dari permukaan yang berlawanan.
Oleh karena itu, untuk logam yang bercirikan konduktivitas termal yang tinggi, sampel yang berbentuk batangan lebih sering diambil.
Inti dari pengukuran adalah sebagai berikut. Pada permukaan yang berlawanan, suhu konstan dipertahankan, yang timbul dari sumber panas, yang terletak tegak lurus terhadap salah satu permukaan sampel.
Dalam hal ini, parameter konduktivitas termal yang diinginkan akan menjadi
=(Q*d)/F(T2-T1), W/m∙K, di mana:
Q adalah daya aliran panas;
d adalah ketebalan sampel;
F adalah area sampel yang dipengaruhi oleh fluks panas;
T1 dan T2 adalah suhu pada permukaan sampel.
Karena daya fluks panas untuk pemanas listrik dapat dinyatakan dalam UI dayanya, dan sensor suhu yang terhubung ke sampel dapat digunakan untuk mengukur suhu, maka tidak akan sulit untuk menghitung indeks konduktivitas termal .
Untuk menghilangkan kehilangan panas yang tidak produktif dan meningkatkan akurasi metode, sampel dan rakitan pemanas harus ditempatkan dalam volume insulasi panas yang efektif, misalnya, dalam bejana Dewar.
Metode relatif untuk menentukan konduktivitas termal
Hal ini dimungkinkan untuk mengecualikan dari pertimbangan faktor daya fluks panas jika salah satu metode evaluasi komparatif digunakan. Untuk tujuan ini, sampel referensi ditempatkan di antara batang, konduktivitas termal yang akan ditentukan, dan sumber panas, konduktivitas termal bahan yang 3 diketahui. Untuk menghilangkan kesalahan pengukuran, sampel ditekan satu sama lain. Ujung yang berlawanan dari sampel yang diukur direndam dalam bak pendingin, setelah itu dua termokopel dihubungkan ke kedua batang.
Konduktivitas termal dihitung dari ekspresi
=λ 3 (d(T1 3 -T2 3)/d 3 (T1-T2)), dimana:
d adalah jarak antara termokopel dalam sampel uji;
d 3 adalah jarak antara termokopel dalam sampel referensi;
T1 3 dan T2 3 - pembacaan termokopel yang dipasang pada sampel referensi;
T1 dan T2 adalah pembacaan termokopel yang dipasang pada sampel uji.
Konduktivitas termal juga dapat ditentukan dari konduktivitas listrik yang diketahui dari bahan sampel. Untuk ini, konduktor kawat diambil sebagai sampel uji, di mana suhu konstan dipertahankan dengan cara apa pun. Arus listrik searah gaya I dilewatkan melalui konduktor, dan kontak terminal harus mendekati ideal.
Setelah mencapai keadaan termal stasioner, suhu maksimum T max akan ditempatkan di tengah sampel, dengan nilai minimum T1 dan T2 di ujungnya. Dengan mengukur beda potensial U antara titik ekstrim sampel, nilai konduktivitas termal dapat ditentukan dari ketergantungan
Keakuratan estimasi konduktivitas termal meningkat dengan panjang sampel uji, serta dengan peningkatan arus yang melewatinya.
Metode relatif untuk mengukur konduktivitas termal lebih akurat daripada metode absolut, dan lebih nyaman di aplikasi praktis, bagaimanapun, memerlukan investasi waktu yang signifikan untuk melakukan pengukuran. Hal ini disebabkan oleh durasi pembentukan keadaan termal stasioner dalam sampel, yang konduktivitas termalnya ditentukan.
selama gerakan termal mereka. Dalam cairan dan padatan - dielektrik - perpindahan panas dilakukan dengan transfer langsung dari gerakan termal molekul dan atom ke partikel materi yang berdekatan. Dalam benda gas, perambatan panas dengan konduksi termal terjadi karena pertukaran energi selama tumbukan molekul dengan kecepatan gerakan termal yang berbeda. Dalam logam, konduktivitas termal dilakukan terutama karena pergerakan elektron bebas.
Istilah utama konduktivitas termal mencakup sejumlah konsep matematika, yang definisinya, disarankan untuk diingat dan dijelaskan.
medan suhu- ini adalah set nilai suhu di semua titik tubuh pada saat tertentu. Secara matematis, digambarkan sebagai T = F(x, y, z, t). Membedakan suhu stasioner medan ketika suhu di semua titik tubuh tidak bergantung pada waktu (tidak berubah seiring waktu), dan medan suhu non-stasioner. Selain itu, jika suhu hanya berubah sepanjang satu atau dua koordinat spasial, maka medan suhu disebut, masing-masing, satu atau dua dimensi.
permukaan isotermal adalah tempat kedudukan titik-titik yang memiliki suhu yang sama.
gradien suhu — lulusan t ada vektor yang diarahkan sepanjang normal ke permukaan isotermal dan secara numerik sama dengan turunan suhu dalam arah ini.
Menurut hukum dasar konduksi panas - hukum Fourier(1822), vektor kerapatan fluks panas yang ditransmisikan oleh konduksi termal sebanding dengan gradien suhu:
Q = - λ lulusan t, (3)
di mana λ - koefisien konduktivitas termal zat; satuan ukuran nya sel/(m K).
Tanda minus pada persamaan (3) menunjukkan bahwa vektor Q berlawanan arah dengan vektor lulusan t, yaitu menuju suhu terendah.
aliran panas Q melalui area dasar yang berorientasi sewenang-wenang dF sama dengan produk skalar dari vektor Q ke vektor area dasar dF, dan fluks panas total Q di seluruh permukaan F ditentukan dengan mengintegrasikan produk ini di atas permukaan F:
KOEFISIEN KONDUKTIVITAS TERMAL
Koefisien konduktivitas termal λ dalam hukum Fourier(3) mencirikan kemampuan suatu zat untuk menghantarkan panas. Nilai koefisien konduktivitas termal diberikan dalam buku referensi tentang sifat termofisika zat. Secara numerik, koefisien konduktivitas termal = Q/ lulusan T sama dengan kerapatan fluks panas Q dengan gradien suhu lulusan t = 1 K/m. Gas paling ringan, hidrogen, memiliki konduktivitas termal tertinggi. Pada kondisi ruangan konduktivitas termal hidrogen λ = 0,2 sel/(m K). Gas yang lebih berat memiliki konduktivitas termal yang lebih sedikit - udara λ = 0,025 sel/(m K), dalam karbon dioksida λ = 0,02 sel/(m K).
Perak dan tembaga murni memiliki konduktivitas termal tertinggi: λ = 400 sel/(m K). Untuk baja karbon λ = 50 sel/(m K). Dalam cairan, konduktivitas termal biasanya kurang dari 1 sel/(m K). Air adalah salah satu konduktor panas cair terbaik, karena itu λ = 0,6 sel/(m K).
Koefisien konduktivitas termal bahan padat non-logam biasanya di bawah 10 sel/(m K).
Bahan berpori - gabus, berbagai pengisi berserat seperti wol organik - memiliki koefisien konduktivitas termal terendah λ <0,25 sel/(m K), mendekati pada kerapatan pengepakan rendah dengan koefisien konduktivitas termal dari udara yang mengisi pori-pori.
Suhu, tekanan, dan, untuk bahan berpori, kelembaban juga dapat memiliki dampak yang signifikan pada konduktivitas termal. Buku referensi selalu memberikan kondisi di mana konduktivitas termal dari zat tertentu ditentukan, dan untuk kondisi lain data ini tidak dapat digunakan. Rentang nilai λ untuk berbagai bahan ditunjukkan pada gambar. satu.
Gambar 1. Interval nilai koefisien konduktivitas termal dari berbagai zat.
Perpindahan panas dengan konduksi termal
Dinding datar homogen.
Masalah paling sederhana dan sangat umum yang dipecahkan oleh teori perpindahan panas adalah menentukan kerapatan fluks panas yang ditransmisikan melalui dinding datar dengan ketebalan δ , pada permukaan yang suhunya dipertahankan tw1 dan t w2 .(Gbr. 2). Perubahan suhu hanya di sepanjang ketebalan pelat - satu koordinat X. Masalah seperti itu disebut satu dimensi, solusinya adalah yang paling sederhana, dan dalam kursus ini kita akan membatasi diri pada pertimbangan hanya masalah satu dimensi.
Mempertimbangkan itu untuk kasus satu nomor:
lulusan t = dt/d, (5)
dan menggunakan hukum dasar konduksi panas (2), kita memperoleh persamaan diferensial untuk konduksi panas stasioner untuk dinding datar:
Dalam kondisi stasioner, ketika energi tidak dihabiskan untuk pemanasan, kerapatan fluks panas Q tidak berubah dalam ketebalan dinding. Dalam kebanyakan masalah praktis, diasumsikan bahwa koefisien konduktivitas termal λ tidak tergantung pada suhu dan sama di seluruh ketebalan dinding. Berarti λ ditemukan dalam buku referensi pada suhu:
rata-rata antara suhu permukaan dinding. (Kesalahan perhitungan dalam hal ini biasanya kurang dari kesalahan data awal dan nilai tabel, dan dengan ketergantungan linier dari koefisien konduktivitas termal pada suhu: = a + bt rumus perhitungan yang tepat untuk Q tidak berbeda dari perkiraan). Pada = konstanta:
(7)
itu. ketergantungan suhu T dari koordinat x linier (Gbr. 2).
Gbr.2. Distribusi suhu stasioner di atas ketebalan dinding datar.
Membagi variabel dalam persamaan (7) dan mengintegrasikan lebih T dari tw1 sebelum tw2 dan oleh x dari 0 sampai δ :
, (8)
kita memperoleh ketergantungan untuk menghitung kerapatan fluks panas:
, (9)
atau daya aliran panas (heat flow):
(10)
Oleh karena itu, jumlah panas yang ditransfer melalui 1 m 2 dinding, berbanding lurus dengan koefisien konduktivitas termal λ dan perbedaan suhu permukaan luar dinding ( t w1 - t w2) dan berbanding terbalik dengan ketebalan dinding δ . Jumlah total panas melalui area dinding F juga sebanding dengan daerah ini.
Rumus paling sederhana yang dihasilkan (10) sangat banyak digunakan dalam perhitungan termal. Rumus ini tidak hanya menghitung kerapatan fluks panas melalui dinding datar, tetapi juga membuat perkiraan untuk kasus yang lebih kompleks, secara sederhana mengganti dinding konfigurasi kompleks dengan dinding datar dalam perhitungan. Terkadang, sudah berdasarkan penilaian, satu atau opsi lain ditolak tanpa menghabiskan waktu lebih lanjut untuk studi terperincinya.
Suhu tubuh pada suatu titik x ditentukan dengan rumus:
t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)
Sikap F/δ disebut konduktivitas termal dinding, dan kebalikannya /λF ketahanan termal atau termal dinding dan dilambangkan R. Menggunakan konsep hambatan termal, rumus untuk menghitung fluks panas dapat direpresentasikan sebagai:
Ketergantungan (11) mirip dengan hukum ohma dalam teknik elektro (kekuatan arus listrik sama dengan beda potensial dibagi dengan hambatan listrik konduktor yang dilalui arus).
Sangat sering, resistansi termal disebut nilai / , yang sama dengan resistansi termal dinding datar dengan luas 1 m 2.
Contoh perhitungan.
Contoh 1. Tentukan fluks kalor yang melalui dinding beton suatu gedung dengan ketebalan 200 mm, tinggi H = 2,5 M dan panjang 2 M jika suhu pada permukaannya adalah: t 1\u003d 20 0 C, t 2\u003d - 10 0 , dan koefisien konduktivitas termal λ =1 sel/(m K):
= 750 sel.
Contoh 2. Tentukan konduktivitas termal bahan dinding dengan ketebalan 50 mm, jika kerapatan fluks panas yang melaluinya Q = 100 sel/m 2, dan perbedaan suhu pada permukaan t = 20 0 C
sel/(m K).
Dinding multilayer.
Rumus (10) juga dapat digunakan untuk menghitung fluks panas melalui dinding yang terdiri dari beberapa ( n) lapisan bahan yang berbeda berdekatan satu sama lain (Gbr. 3), misalnya, kepala silinder, paking dan blok silinder yang terbuat dari bahan yang berbeda, dll.
Gbr.3. Distribusi suhu di atas ketebalan dinding datar multilayer.
Tahanan termal dari dinding semacam itu sama dengan jumlah tahanan termal dari masing-masing lapisan:
(12)
Dalam rumus (12), perlu untuk mengganti perbedaan suhu pada titik-titik (permukaan), di mana semua resistansi termal yang dijumlahkan "disertakan", mis. pada kasus ini: tw1 dan w(n+1):
, (13)
di mana Saya- nomor lapisan.
Dalam mode stasioner, fluks panas spesifik melalui dinding multilayer adalah konstan dan sama untuk semua lapisan. Dari (13) berikut:
. (14)
Ini mengikuti dari persamaan (14) bahwa resistansi termal total dari dinding multilayer sama dengan jumlah resistansi setiap lapisan.
Rumus (13) dapat diperoleh dengan mudah dengan menuliskan perbedaan suhu menurut rumus (10) untuk masing-masing P lapisan dinding multilayer dan menambahkan semua P ekspresi, dengan mempertimbangkan fakta bahwa di semua lapisan Q memiliki arti yang sama. Ketika ditambahkan, semua suhu antara akan menurun.
Distribusi suhu dalam setiap lapisan adalah linier, namun pada lapisan yang berbeda, kemiringan ketergantungan suhu berbeda, karena menurut rumus (7) ( dt/dx)Saya = - q/λ saya. Kepadatan fluks panas yang melewati seluruh lapisan adalah sama dalam mode stasioner, dan konduktivitas termal lapisan berbeda, oleh karena itu, suhu berubah lebih tajam pada lapisan dengan konduktivitas termal yang lebih rendah. Jadi, dalam contoh pada Gambar. 4, bahan lapisan kedua (misalnya, gasket) memiliki konduktivitas termal terendah, dan lapisan ketiga memiliki yang tertinggi.
Setelah menghitung fluks panas melalui dinding multilayer, seseorang dapat menentukan penurunan suhu di setiap lapisan menggunakan hubungan (10) dan menemukan suhu pada batas semua lapisan. Hal ini sangat penting ketika menggunakan bahan dengan suhu yang diijinkan terbatas sebagai isolator panas.
Suhu lapisan ditentukan oleh rumus berikut:
t sl1 \u003d t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)
t sl2 \u003d t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)
Hubungi resistansi termal. Ketika menurunkan formula untuk dinding multilayer, diasumsikan bahwa lapisan saling berdekatan, dan karena kontak yang baik, permukaan kontak dari lapisan yang berbeda memiliki suhu yang sama. Kontak erat yang ideal antara lapisan individu dari dinding multilayer diperoleh jika salah satu lapisan diterapkan ke lapisan lain dalam keadaan cair atau dalam bentuk larutan fluida. Benda padat saling bersentuhan hanya di bagian atas profil kekasaran (Gbr. 4).
Area kontak simpul dapat diabaikan, dan seluruh aliran panas melewati celah udara ( H). Ini menciptakan resistensi termal (kontak) tambahan. R ke. Resistansi kontak termal dapat ditentukan secara independen menggunakan dependensi empiris yang sesuai atau secara eksperimental. Misalnya, celah resistansi termal 0,03 mm kira-kira setara dengan ketahanan termal lapisan baja dengan ketebalan sekitar 30 mm.
Gbr.4. Gambar kontak dua permukaan kasar.
Metode untuk mengurangi resistansi kontak termal. Tahanan termal total dari kontak ditentukan oleh kebersihan pemrosesan, beban, konduktivitas termal media, koefisien konduktivitas termal dari bahan bagian yang bersentuhan, dan faktor lainnya.
Efisiensi terbesar dalam mengurangi tahanan termal disediakan oleh pengenalan ke dalam zona kontak media dengan konduktivitas termal yang dekat dengan logam.
Ada kemungkinan berikut untuk mengisi zona kontak dengan zat:
Penggunaan gasket yang terbuat dari logam lunak;
Pengenalan zona kontak zat bubuk dengan konduktivitas termal yang baik;
Pengenalan zona zat kental dengan konduktivitas termal yang baik;
Mengisi ruang antara tonjolan kekasaran dengan logam cair.
Hasil terbaik diperoleh ketika zona kontak diisi dengan timah cair. Dalam hal ini, resistansi termal kontak praktis menjadi sama dengan nol.
Dinding silinder.
Sangat sering, pendingin bergerak melalui pipa (silinder), dan diperlukan untuk menghitung fluks panas yang ditransmisikan melalui dinding silinder pipa (silinder). Masalah perpindahan panas melalui dinding silinder (dengan suhu yang diketahui dan konstan pada permukaan dalam dan luar) juga satu dimensi jika dipertimbangkan dalam koordinat silinder (Gbr. 4).
Suhu hanya berubah sepanjang jari-jari, dan sepanjang pipa aku dan sepanjang perimeternya tetap tidak berubah.
Dalam hal ini, persamaan aliran panas memiliki bentuk:
. (15)
Ketergantungan (15) menunjukkan bahwa jumlah panas yang ditransfer melalui dinding silinder berbanding lurus dengan koefisien konduktivitas termal λ , panjang pipa aku dan perbedaan suhu ( t w1 - t w2) dan berbanding terbalik dengan logaritma natural dari rasio diameter luar silinder d2 dengan diameter dalamnya d1.
Beras. 4. Perubahan suhu di seluruh ketebalan dinding silinder satu lapis.
Pada λ = distribusi suhu konstan dengan radius R dinding silinder satu lapis mematuhi hukum logaritmik (Gbr. 4).
Contoh. Berapa kali kehilangan panas yang dikurangi melalui dinding bangunan, jika antara dua lapis batu bata dengan ketebalan 250 mm pasang bantalan busa setebal 50 mm. Koefisien konduktivitas termal masing-masing sama: kirp . = 0,5 sel/(m K); pena. . = 0,05 sel/(m K).
Sesuai dengan persyaratan Undang-Undang Federal No. 261-FZ "Tentang Penghematan Energi", persyaratan untuk konduktivitas termal bahan bangunan dan insulasi termal di Rusia telah diperketat. Saat ini, pengukuran konduktivitas termal adalah salah satu poin wajib ketika memutuskan apakah akan menggunakan bahan sebagai isolator panas.
Mengapa perlu mengukur konduktivitas termal dalam konstruksi?
Kontrol konduktivitas termal bahan bangunan dan insulasi termal dilakukan pada semua tahap sertifikasi dan produksinya dalam kondisi laboratorium, ketika bahan terkena berbagai faktor yang memengaruhi sifat kinerjanya. Ada beberapa metode umum untuk mengukur konduktivitas termal. Untuk pengujian laboratorium yang akurat dari bahan dengan konduktivitas termal rendah (di bawah 0,04 - 0,05 W / m * K), disarankan untuk menggunakan instrumen yang menggunakan metode aliran panas stasioner. Penggunaannya diatur oleh GOST 7076.
Perusahaan "Interpribor" menawarkan pengukur konduktivitas termal, yang harganya sebanding dengan yang tersedia di pasar dan memenuhi semua persyaratan modern. Ini dimaksudkan untuk kontrol kualitas laboratorium bahan bangunan dan isolasi panas.
Keuntungan dari meteran konduktivitas termal ITS-1
Pengukur konduktivitas termal ITS-1 memiliki desain monoblok asli dan memiliki keunggulan sebagai berikut:
- siklus pengukuran otomatis;
- jalur pengukuran presisi tinggi, yang memungkinkan untuk menstabilkan suhu lemari es dan pemanas;
- kemungkinan mengkalibrasi perangkat untuk jenis bahan tertentu yang sedang dipelajari, yang selanjutnya meningkatkan akurasi hasil;
- mengungkapkan evaluasi hasil dalam proses melakukan pengukuran;
- zona keamanan "panas" yang dioptimalkan;
- tampilan grafis informatif yang menyederhanakan kontrol dan analisis hasil pengukuran.
ITS-1 dipasok dalam satu-satunya modifikasi dasar, yang, atas permintaan klien, dapat dilengkapi dengan sampel kontrol (kaca plexiglass dan busa), kotak untuk bahan curah dan kotak pelindung untuk menyimpan dan mengangkut perangkat.
