2.2.6 Tepelné izolace

Transkript

1 ..6 Tepelné izolace Přepoklay: 5 Pomůcky: le, talířek, va mikrotenové pytlíky, Opakování z minulé hoiny: Vnitřní energie se přenáší třemi způsoby: veení prouění záření Př. 1: Máme va stejné kousky leu. Jeen položíme volně na talířek, ruhý zabalíme o teplého svetru. Který z obou kousků leu roztají říve? Řešení prozraíme na konci hoiny. Vrátíme se přenosu vnitřní energie veením tepla. Pokusíme se určit teplené ztráty tříy. Př. : Sleujeme množství tepla, které proje stěnou buovy (pro jenouchost přepoklááme, že stěna je bez oken). Na kterých veličinách závisí množství tepla, které stěnou proje? množství tepla, které proje stěnou závisí na: ploše stěny S tloušťce stěny rozílu teplot t čase τ (řecké písmenko se používá místo stanarního označení kvůli možné záměně s teplotou) ruhu materiálu materiálová konstanta, která popisuje veení tepla, se nazývá součinitel tepelné voivosti a značí se λ Př. 3: Navrhni vztah, který uává množství tepla, které proje stěnou. Urči jenotku součinitele teplotní voivosti. Q = τ Vypočteme ze vztahu λ : Q = τ Q 1J 1m 1J 1 1W λ =. Dosaíme jenotky: λ = = = = S t 1W m K τ 1m 1K 1s 1s 1m 1K 1m 1K Množství tepla, které proje stejnoroou stěnou je áno vztahem Q = τ. 1

2 Materiálovou konstantu λ nazýváme součinitel tepelné voivosti, uáváme v jenotkách 1W m K. Honota λ závisí na teplotě (proto se v tabulkách uává napříkla jako λ - součinitel tepelné voivosti při teplotě C ). Honoty λ pro některé látky W m K : iamant λ 5 = le 0 C λ 0 =, řevo λ = 0, 04 0, 35 stříbro λ 5 = 49 λ = 418 beton λ = 1,5 polystyren λ = 0,16 měď λ = 395 sklo λ = 0, 6 1, 4 sníh prašan λ 0 = 0,1 železo λ = 73 voa λ = 0, 6 skelná vata λ = 0,04 žula λ =, 9 4, 0 cihly λ = 0,3 1, vzuch λ = 0, 04 nejvyšší honotu tepelné voivosti má iamant nejtvrší látka s nejsilnějšími vzájemnými vazbami honoty tepelné voivosti kovů opovíají jejich elektrické voivosti (stříbro je nejlepší voič, měď ruhá nejlepší) tepelná voivost kovů zřejmě velmi souvisí s pohyblivostí elektronů v látce látky s nejnižší tepelnou voivostí obsahuj značné množství vzuchu Př. 4: Vysvětli, proč honoty tepelné voivosti pevných látek rostou s jejich teplotou. Vyšší teplota silnější neuspořáaný kmitavý pohyb kolem rovnovážné polohy větší výchylky větší přiblížení k sousením molekulám silnější vzájemné silové působení rychlejší přeávání kinetické energie Př. 5: Vhoď o voy kousek cihly. Na záklaě pokusu vysvětli její nízkou tepelnou voivost. Z cihly stoupají malé bublinky vzuchu nízkou tepelnou voivost způsobuje vysoký obsah vzuchu v materiálu cihly (proto jsou cihly poměrně lehké). Různý obsah vzuchu v cihle také vysvětluje velký rozsah honot. Množství vzuchu, které může cihla obsahovat je na ruhé straně omezeno požaavky na její pevnost. Př. 6: Tepelná voivost sněhu silně závisí na jeho hustotě. Jaká bue tato závislost? Proč? Tepelná voivost sněhu s hustotou poroste, protože se s rostoucí hustotou zvětšuje poíl voy a klesá poíl vzuchu. Vrátíme se k tepelným ztrátám naší tříy. Př. 7: Urči tepelné ztráty tříy způsobené průchoem tepla obvoovým zivem při vnitřní teplotě C a vnější teplotě 16 C za 1sekunu. Vnější zeď tvoří 60 cm tlustá vrstva cihel. Potřebujeme znát rozměry tříy: élka 10 m, výška 4 m, ve stěně jsou tři okna o rozměrech 1,5 x m. Celková plocha stěny: 10 4m = 40 m.

3 Plocha oken: Plocha ziva: 3 1,5 m = 9 m m = 31m. Součinitel tepelné voivosti volíme: λ = 0,5 W m K ( [ ]) 0, Q = τ = 1J = 930 J 0,6 Průcho tepla stěnou je 930 J za sekunu. Značnou část tepelných ztrát způsobují okna. Nejjenoušší konstrukce: skleněná tabulka (jenouchá vrstva skla) Tepelné ztráty určené výpočtem jsou vyšší než ve skutečnosti. Z vnitřní strany okna se tvoří vrstva stuenějšího vzuchu, z vnější strany vrstva teplejšího vzuchu, čímž se snižuje teplotní rozíl na vrstvě skla a tak i tepelné ztráty. Přesto jsou ztráty při jené vrstvě skla příliš vysoké. Nejčastější typ okna: vojsklo Dvě vrstvy skla oělené vzuchovou vrstvou vzuch mezi skly funguje jako tepelná izolace. Př. 8: Vysvětli, proč se při konstrukci vojskel nevyplatí vytvářet větší vzuchovou mezeru než přibližně 4 cm. Větší vzuchová mezera větší vrstva vzuchu, který má malou tepelnou voivost, ale zároveň více prostoru pro to, aby začal prouit a přenášel teplo prouěním Úspornější typ oken: trojsklo Tři vrstvy skla, oělené věma vzuchovými vrstvami vě vrstvy vzuchové izolace Nejúspornější typ oken: vakuová okna Dvě (tři) vrstvy skla, mezery mezi nimi jsou vzuchotěsně izolovány a místo vzuchu obsahují speciální plynou náplň s malou tepelnou voivostí. Př. 9: Vysvětli, proč není možné, aby vakuová okna měla místo vzuchu mezi skly vakuum. Poku by mezi skly v oknu bylo vakuum, nepůsobil by zevnitř mezery tlak vzuchu atmosférický tlak by ohromnou silou tlačil skla k sobě. Oha síly pro okno o ploše 1m : F = ps = N = N síla, kterou Země na povrchu přitahuje přemět o hmotnosti 10 tun (malé náklaní auto). U všech ruhů oken se při výpočtu ztrát nepoužívají vzorce pro tepelnou voivost (okno tvoří více různých vrstev, uplatňuje se i prouění vzuchu, at.) používá se součinitel prostupu tepla k W m K, který uává kolik Wattů proje konstrukcí o ploše 1m při teplotním rozílu 1K. Pro okna se pohybuje o 1 o 3 W m K. 3

4 Př. 10: Urči tepelné ztráty tříy způsobené průchoem tepla okny při vnitřní teplotě C a vnější teplotě 16 C za 1 sekunu. Součinitel prostupu tepla k = W m K. Ve vzorci Q = τ vypustíme pouze tloušťku (je započítána v koeficientu k) Q = ks tτ Plocha oken: 3 1,5 m = 9 m ( [ ]) Q = ks tτ = J = 648 J Okny proje za 1 sekunu 648 J tepla. Poobným způsobem se počítá také tepelná ztráta střechou. Dalším zrojem tepelných ztrát je výměna vzuchu mezi vnitřkem omu a vnějším prostřeím (okna větrají). Dům nemůže být zcela utěsněn: obyvatelé by vyýchali kyslík a uusili se, uvnitř by příliš vzrostla vlhkost vzuchu, voa by se srážela na vnitřních stěnách, začala by růst plíseň Pasivní omy: spotřeba energie se snižuje využitím rekuperace (vyýchaný vzuch osáváme a v rekuperátoru ho pře vypuštěním o okolí necháme ohřát čerstvý vzuch určený k vyvětrání). Opustíme stavby omů. Př. 11: Navrhni konstrukci kalorimetru. Kalorimetr musí: omezit tepelné ztráty, mít malou tepelnou kapacitu, kalorimetr se skláá ze vou náob, vnitřní náoba je z látky s malou kapacitou (u školních kalorimetrů slabý hliníkový plech), vnější náoba může být z libovolného materiálu. Mezi náobami je vrstva vzuchu, která funguje jako tepelná izolace Př. 1: Vysvětli konstrukci termosky. klasická termoska se skláá z vnější náoby (plast) a vnitřní náoby. Vnitřní náoba je vojvrstvá skleněná náoby z prostoru mezi skly je vyčerpán vzuch. Skla jsou potaženy stříbrnou vrstvou: vakuum zabraňuje přenosu tepla veením a prouěním, stříbrné vrstvy zabraňují přenosu tepla zářením. Př. 13: Vysvětli, jaké vlastnosti by měl mít obrý spací pytel (pytel, ve kterém je možné spát i při teplotách po boem mrazu). spací pytel (poobně jako všechny ostatní ruhy oblečení) snižuje tepelné ztráty pomocí vzuchové izolace (malé objemy vzuchu uzavřené v tkanině nebo jiném materiálu) kvalitní materiál (více utá vlákna, jemné peří) střih musí zabránit únikům tepla v místech, ke není izolace zateplení zipů (nejlépe střih zcela bez zipů), 4

5 vícekomorový systém (materiál se musí připevňovat k tělu spacího pytle švy velké úniky tepla izolační materiál se neupevňuje mezi vě vrstvy obalu, ale o vou vrstev mezi tři vrstvy obalu. V místech, ke prošívá šev jenu z vrstev izolace, musí být ruhá vrstva neporušená). Rozluštění háanky z úvou hoiny: Rychleji roztaje samozřejmě le volně položený na stole. Nic nebrání výměně tepla s okolím. Svetr je sice teplý, ale pouze íky tomu, že si ho zahřejeme a on brání úniku tepla o okolí. Stejně obře pak brání i průniku tepla z okolí ovnitř a tak zpomaluje tání leu. Shrnutí: Úniku tepla bráníme tím, že přerušujeme všechny možnosti pro přenos teplat (veení, prouění, záření). 5