Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Самарской области «Самарская государственная областная академия (Наяновой)»

Международный конкурс проектных и исследовательских работ учащихся

«Первые шаги в науку»

«ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ»

исследовательский проект

«Физико-математическое направление» (7-8 класс)

Класс: 8 «А»

Автор: Меламедова Алёна Станиславовна

Научный руководитель: Морозов Иван Анатольевич, учитель физики высшей квалификационной категории, iamorozov2007@yandex.ru

Самара

2017 г.

Оглавление

1.Введение………………………………………………….…………………………….. 3

2. Теплопередача и ее виды…………………….…………………………………..……… 5

3. Строительные материалы, используемые при строительстве

жилых домов. Их виды..…………………..………………………….…………….. 8

4. Исследование теплоизоляционных свойств некоторых материалов……...………… 10

5. Заключение……………………………………………………………………………. 14

6. Библиографический список..………………………………………………………… 15

7. Приложения………………………………………………………………………….... 16

7.1. Приложение №1 …………………………………..………………………………….. 16

7.2. Приложение №2 ……………………………..……………………………………….. 17

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность:

На уроке физики мы изучали тему «Теплопроводность» и мне стало интересно – какие теплоизоляционные свойства имеют материалы, используемые при строительстве домов, в том числе и кирпичного в котором я живу.

Проблема:

Люди нуждаются в жилье, и перед ними встает проблема выбора материала, который позволил бы построить теплый дом.

Выделенная нами проблема помогает сформулировать цель работы: исследование теплоизоляционных свойств материалов, используемых при строительстве жилых домов. Для достижения поставленной цели нами были выделены следующие задачи:

• изучить научно–популярную и учебную литературу по теме исследования.

• изучить строительные материалы, используемые при постройке домов

• сопоставить материалы и их теплоизоляционные свойства.

• сравнить теплоизоляционные свойства разных материалов.

Всё выше обозначенное помогло выделить предмет: материалы, используемые при строительстве домов и объект исследования: теплоизоляционные свойства строительных материалов.

Для решения поставленных задач, на основе определенных предмета и объекта исследования, нами были отобраны следующие методы: информационно – аналитический, проектный, экспериментальный.

На основе вышеперечисленного, мы выдвигаем гипотезу:

Теплоизоляционные свойства строительных материалов изменяются в зависимости от рода вещества.

Исследовательская составляющая работы состоит в изучение, экспериментальной проверке и последующем сравнении теплоизоляционных свойств традиционных строительных материалов (дерево и кирпич).

Работа связана с приоритетными направлениями и критическими технологиями развития науки, техники и технологий Самарской области в аспектах энергоэффективности и энергосбережения в рамках использования строительных материалов обладающих высокими теплоизоляционными свойствами и позволяющими рационально использовать энергоресурсы.

Тематика работы на эмпирическом уровне совпадает с собственными исследованиями руководителя в рамках диссертационного исследования «Методы вейвлет-анализа численного решения многомерных задач».

Теоретическая значимость работы обусловлена исследованию теплоизоляционных свойств строительных материалов, которые появились на рынке товаров недавно и их свойства плохо изучены. Практическая значимость работы заключается в наглядном сравнении теплоизоляционных свойств традиционных строительных материалов, таких как дерево и кирпич.

Проблема теплопроводности для физической науки не нова, что даже не позволяет установить первоисточники. В первую очередь это связано с тем, что сведения о теплопроводности пришли из опыта предыдущих поколений о свойствах разных материалов сохранять тепло. Теоретические основы теплопроводности описаны, в настоящее время широко во всех учебных пособиях по физике даже школьного курса [3]. Тепловым характеристикам материалов посвящены работы, таких классиков советской науки, как Полежаев Ю. В., Юревич Ф. Б.[4], так и современных авторов таких, как Шумейко И.В. [9]. Однако, не смотря на разработанность данной темы, ввиду появления новых строительных материалов, интерес к ней не угасает и широко обсуждается в печатных [2] и электронных средствах информации [5,6,7].

2. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И ЕЕ ВИДЫ

Количество тепла, необходимого для отопления дома, напрямую зависит от тепловых потерь здания. То есть чем больше тепла теряется через ограждающие поверхности (стены, крышу, полы, подвал), тем больше нужно энергии для отопления здания. Если на этапе проектирования и строительства дома предусмотреть хорошую теплоизоляцию, а также установить герметичные окна, заполнить щели в дверных проемах, отапливать дом впоследствии будет намного проще.

Для того, чтобы успешно решить задачу, поставленную при создании и возведении здания, необходимо, чтобы выбранные теплоизоляционные материалы отвечали определенным требованиям. Суждение по свойствам теплоизоляционных материалов можно вынести после рассмотрения совокупности свойств, определенных общепринятыми методами: плотность и теплопроводность.

Теплопередача – физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), или через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. 

Виды теплопередачи:

1. Конвекция – это перенос энергии струями жидкости или газа.

2. Излучение – это испускание электромагнитных волн ускоренно движущимися электрическими зарядами.

3. Теплопроводность – это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т.д.)

Теплопроводность зависит от удельной теплоемкости (c) и определяется по формуле:

Q=m*c*(t₂-t₁) [3].

Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное). Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от температуры, т.е. отношения разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня и коэффициента теплопроводности материала. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж. Фурье.

Посредством этого вида теплообмена происходит передача теплоты через стенку дома в зимнее время. Так как температура внутри дома выше, чем вне его, наиболее интенсивное тепловое колебательное движение совершают частицы, образующие внутреннюю поверхность стенки. Сталкиваясь с частицами соседнего более холодного слоя, они передают им часть энергии, в результате чего движение частиц этого слоя, оставаясь колебательным, становится более интенсивным. Так от слоя к слою растет интенсивность колебаний частиц, а следовательно, и их внутренняя энергия. Таким образом, при теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомом, электронов), обладающих большей энергией, к частицам с меньшей энергией.

Для здания в зимних условиях интенсивность колебаний частиц практически постоянна, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию

Для того, чтобы сравнить теплоизоляционные свойства материалов, нужно изучить материалы, используемые при строительстве домов. Однако перед этим остановимся на общих параметрах, которые влияют на теплопроводность любого строительного материала.

1. Пористость – наличие пор в структуре материала нарушает его однородность. При прохождении теплового потока часть энергии передается через объем, занятый порами и заполненный воздухом. Принято за отсчетную точку принимать теплопроводность сухого воздуха (0,02 Вт/(м*°С)). Соответственно, чем больший объем будет занят воздушными порами, тем меньше будет теплопроводность материала.

2. Структура пор – малый размер пор и их замкнутый характер способствуют снижению скорости теплового потока. В случае использования материалов с крупными сообщающимися порами в дополнение к теплопроводности в процессе переноса тепла будут участвовать процессы передачи тепла конвекцией.

3. Плотность – при больших значениях частицы более тесно взаимодействуют друг с другом и в большей степени способствуют передаче тепловой энергии. В общем случае значения теплопроводности материала в зависимости от его плотности определяются либо на основе справочных данных, либо эмпирически.

4. Влажность – значение теплопроводности для воды составляет (0,6 Вт/(м*°С)). При намокании стеновых конструкций или утеплителя происходит вытеснение сухого воздуха из пор и замещение его каплями жидкости или насыщенным влажным воздухом. Теплопроводность в этом случае значительно увеличится.

5. Влияние температуры на теплопроводность материала отражается через формулу:

λ=λо*(1+b*t),

где, λо – коэффициент теплопроводности при температуре 0 °С, Вт/м*°С;

b – справочная величина температурного коэффициента;

t – температура [9].

3. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЖИЛЫХ ДОМОВ. ИХ ВИДЫ

При строительстве жилых домов используются различные строительные материалы. Рассмотрим виды жилых домов и материалы, из которых они возводятся.

Виды домов:

• Из керамического или силикатного кирпича

Керамический кирпич бывает полнотелым (не более 13 % пустот) и пустотелым (до 49 % пустот). Форма отверстий в кирпиче может быть круглая, квадратная, овальная, с расположением по горизонтали или вертикали. С увеличением их количества теплоизоляционные свойства улучшаются.

• Сруб ручной рубки

Бревна соединяют, выкладывая очертания дома. Непременно надо дождаться усадки – это около года, не меньше. Потом конопатят щели и обшивают коробки окон и дверей [1].

• Из газобетонных блоков

Стены из газобетона имеют толщину 30 - 40 см. При этом в помещении держится достаточно комфортный микроклимат, так как газобетон эффективно противостоит колебаниям температуры и влажности. По теплоизоляции он в 3 раза лучше, чем кирпич. Это заслуга воздушных пор, находящихся внутри материала.

• Из керамоблоков

По бокам поверхность керамоблока рифленая, а внутри – поры.

• Каркасный дом

Основа подобных зданий – каркас из дерева или металла. Он включает в себя стропила, стойки, фермы и прочие элементы. Затем кладется утеплитель, а сверху всё это обшивается плотными листами ДСП или ОСП [5].

Проведя теоретические исследования, связанные с темой работы можно сформулировать следующие этапы экспериментальной деятельности:

1. Определить и классифицировать основные строительные материалы, используемые при возведении жилых малоэтажных домов.

2. Провести экспериментальное исследование физических параметров отобранных материалов.

3. Проанализировать полученные результаты.

4. Обнаружить зависимость количество теплоты, затрачиваемое на обогрев дома от физических параметров строительных материалов.

5.Сравнить полученную информацию о теплоизоляционных свойствах материалов и их стоимость.

6.Выявить материал, дом их которого будет дешевым и максимально сохранять тепло.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ

Чтобы провести эксперимент, мне понадобится сделать отверстие для градусника в материалах, используемых при строительстве домов. Исходя из возможностей моей экспериментальной деятельности, можно выявить два материала, которые я могу сравнить по всем параметрам.

1. Дерево.

Из этого материала можно построить срубовой дом.

2. Кирпич.

Из этого материала можно построить либо силикатный, либо керамический дом. (В зависимости от вида кирпича)

1. Деревянная конструкция.

Для анализа теплоизоляционных свойств дерева был проведен эксперимент, задачей которого являлся контроль уличной температуры и температуры внутри деревянного короба. (Приложение №1)

Термометр был помещен в деревянную конструкцию и вынесен на воздух. Для того, чтобы предметы не засыпало снегом, я накрыла их полиэтиленовым пакетом, но это не повлияет на результат эксперимента, так как предметы не были обмотаны полиэтиленом.

Спустя 3 часа 30 минут показатели на термометрах являлись таковыми:

• Термометр, находящийся в коробе 3°C

• Термометр, находящийся на открытом воздухе -4°C

Спустя 5 часов 30 минут:

• Термометр, находящийся в коробе -8°C

• Термометр, находящийся на открытом воздухе -14°C

Спустя 9 часов 30 минут:

• Термометр, находящийся в коробе -13°C

• Термометр, находящийся на открытом воздухе -17°C

Таким образом, мы видим, что есть разница между температурой в деревянном коробе и температурой воздуха, следовательно, дерево сохраняет тепло.

2.Кирпич.

Для анализа теплоизоляционных свойств кирпича был проведен аналогичный эксперимент.

Термометр был помещен внутрь кирпичной конструкции и вынесен на воздух. (Приложение №2)

Спустя 3 часа 30 минут:

• Термометр, находящийся в кирпиче 2°C

• Термометр, находящийся на открытом воздухе -1°C

Спустя 5 часов 30 минут:

• Термометр, находящийся в кирпиче -1°C

• Термометр, находящийся на открытом воздухе -3°C

Спустя 9 часов 30 минут:

• Термометр, находящийся в кирпиче -1°C

• Термометр, находящийся на открытом воздухе -4°C

Очевидно, что есть разница между температурой в кирпичной конструкции и температурой воздуха, следовательно, кирпич обладает теплоизоляционными свойствами.

Сведем полученные данные в таблицу 1.

Таблица 1 - Температурный анализ

Мы видим, что дерево сохраняет тепло лучше, чем кирпич. Через 3,5 часа разница температур внутри деревянного короба и вне его составила 7 °C, через 5,5 часов - 6°C, а через 9,5 часов - 4 °C.

В кирпиче максимальная разница температуры воздуха и температуры составила 3°C, однако нужно сделать поправку на изменение температуры окружающего воздуха, т.к. эксперименты проводились при разных температурных условиях.

В результатах эксперимента присутствуют погрешности, связанные с тем, что и в одной и в другой конструкции был воздух, чьи теплоизоляционные свойства ниже, чем у дерева и кирпича. Но эти погрешности не кардинально влияют на результаты эксперимента, так как кирпич намного хуже держит тепло.

Строение из дерева дольше хранит тепло, что объясняется низкой теплопроводностью дерева. Исходя из данных заимствованных из справочника [7] и представленных в таблице №2, мы видим, что у дерева теплопроводность ниже, чем у кирпича.

Таблица 2 – Сравнительные характеристики стеновых материалов.

Проведем анализ стоимости конструкции из дерева и кирпича (Таблица 3).

Таблица 3 – Сравнительный анализ стоимости домов

Исходя из данных таблицы, можно сделать вывод, что стоимость дома из кирпича выше, чем стоимость дома из дерева. Однако, в данной таблице не учитывается ограниченность природных ресурсов. Чтобы вырастить необходимый строительный лес требуются значительные денежные, а главное временные затраты. Кроме того, остается все меньше места для выращивания лесов. Именно поэтому человечество обращается к альтернативным строительным материалам, разрабатывая различные пено-, газо- и композитные материалы, теплозащитные свойства которых приближаются к свойствам дерева.

Но, несмотря на это, на днях сообщили, что Минстрой рассматривает возможность возведения новостроек из дерева:

«По мнению экспертов, появление таких новостроек поможет быстрее решить квартирный вопрос россиян. Сравнительно малый вес и быстрота обработки дерева позволяют строить здания в сжатые сроки. Среди плюсов - отличная звукоизоляция и сопротивление теплопередачи. Древесина - самый экологичный материал. Он имеет уникальное строение: внутри на клеточном уровне происходит постоянный воздухообмен» [2].

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Строительство домов, в рамках увеличивающейся численности населения, остается одной из животрепещущих тем. На ряду с этим, необходимо отметить, что важной составляющей этого вопроса остается выбор материалов, из которых он будет построен. Важной характеристикой при выборе строительного материала является его теплопроводность, что и определяет актуальность рассмотренной нами темы. В ходе работы была изучена научно-популярная по теме работы, что позволило установить характеристики строительных материалов от которых зависит теплопроводность. С помощью проведенного эксперимента с традиционными строительными материалами (дерево и кирпич), подтверждено наличие зависимости теплопроводности от рода вещества. Всё это свидетельствует о решении нами поставленных в работе задач, что в свою очередь указывает на достижение поставленной цели. Достижение цели и задач стало возможно четкому выделению объекта и предмета исследования, а так же адекватности отобранных для него методов. В результате проведенного исследования поставленная нами гипотеза подтвердилась. Перспективу исследования в дальнейшем могут составить: аспекты рассмотрения новых строительных материалов; изучение одного строительного материала, но с разными параметрами (плотность, пористость, структура пор и т.д.).

Теоретическая значимость работы обусловлена исследованию теплоизоляционных свойств строительных материалов, которые появились на рынке товаров недавно и их свойства плохо изучены. Практическая значимость работы заключается в наглядном сравнении теплоизоляционных свойств традиционных строительных материалов, таких как дерево и кирпич.

В результате проведенного исследования расширены знания и умения по теме «Теплопроводность», получены навыки элементарной научно-исследовательской деятельности, анализа и сопоставления полученных данных, формулирования выводов.

3. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

1. Деревянные дома = Woodenl Houses: Фасады, планы, интерьеры: 25 современных коттеджей / ред. С. Экономов. - М.: Красивые дома пресс, 2007. - 172 с.

2. Домчева Е. Постучим по дереву// Российская газета - Федеральный выпуск №6876 (8) от 18.01.2017г.

3. Перышкин А.В. Физика [Текст] 8 класс : учебник для общеобразовательных учреждений / А. В. Перышкин. - М. : Дрофа, 2013. - 240 с. : ил

4. Полежаев Ю. В., Юревич Ф. Б. Тепловая защита. Под ред. А. В. Лыкова. - М.: «Энергия», 1976. 392 с. с ил.

5. ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ зданий / [Электронный ресурс]. URL: http://www.krivda.net/books/nefedov_a._v._gordeeva_v._i.-otechestvennye_poluprovodnikovye_pribory_i_ih_zarubezhnye_analogi._spravochnik_-_2.6._teplovyeparametry_16

6. Теплопотери зданий / [Электронный ресурс]. URL: http://www.vst-nn.ru

7. Теплопроводность строительных материалов [Электронный ресурс] // [Инженерный справочник] / URL: http://www.dpva.info/

8. Энциклопедия строительства дома  В.И. Рыженко – Издательство: Оникс, 2008 г.- 688 с

9. Шумейко И.В. Сравнительная таблица теплопроводности современных строительных материалов/ [Электронный ресурс]. URL: http://ostroymaterialah.ru/sypuchie/sravnitelnaya-tablica-teploprovodnosti-stroitelnyx-materialov.html

3. ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение №1 – Эксперимент с деревянной конструкцией.

Приложение №2 – Эксперимент с кирпичной конструкцией.