Формула удельной теплоемкости материалов. Что и зачем?

Что такое теплоемкость стройматериалов и насколько этот параметр важен при строительстве своего дома? Речь, конечно же, идет о доме с индивидуальным отоплением, особенно тем, которое является периодическим. При таком отоплении в холодные дни котел топится один или два раза в сутки.

Чтобы разобраться с этим параметром, чтобы логически понять, что такое теплоемкость, давай, Мастер, посмотрим на ее единицу измерения: кДж/(кг•°С). Это обозначение совершенно ясно говорит о том, какое количество тепловой энергии содержится в 1 кг материала с температурой в 1°С.

Надо сказать, что единица измерения нам недвусмысленно говорит о формуле удельной теплоемкости: C = Q/(m•dT). Соответственно, количество теплоты будет Q = C•m•dT), то бишь, произведение удельной теплоемкости на массу и разность температур.

Теперь возьмем для примера два распространенных материала: бетон и дерево. Посмотрим на значения удельной теплоемкости в СНИП II-3-79. Видим: бетон 0,84 кДж/(кг•°С), а дерево 2,3 кДж/(кг•°С).

И что же тогда получается? Получается, что дерево гораздо более теплоемкий материал?

Да. Дерево действительно содержит в своей массе в три раза больше тепловой энергии, нежели бетон. Для нагрева 1 кг деревянной стены на 1°С потребуется 2300 джоулей тепловой энергии. Но и при остывании этого 1 кг дерева на 1°С оно отдаст в окружающую среду 2300 джоулей.

А что же бетон? А бетон, получается быстрее нагреется и быстрее отдаст свои 840 джоулей...

Не спеши, Мастер! Давай посчитаем это на квадратный метр стены толщиной, например, 20 см, бетонной и деревянной. Скока весит 1 м² бетонной стены? А весит он 2400 кг/м³ * 0,2 м³ = 480 кг.

А скока весит 1 м² деревянной стены? А ее вес 500 кг/м³ * 0,2 м³ = 100 кг.

А теперь посчитаем, какое количество тепла содержат в себе бетонная и деревянная стена при изменении температуры на 1 градус. Это просто: надо значение удельной теплоемкости материала перемножить с его весом и температурой.

Бетон: 0,84 * 480 * 1 = 403,2 кДж.

Дерево: 2,3 * 100 * 1 = 230 кДж.

Вот оно как! Оказывается, дерево-то в два раза меньше тепла в своем объеме содержит, чем бетон.

А вот, например, кирпичная кладка толшиной 20 см из глиняного кирпича полнотелого при ее плотности 1800 кг/м³ будет обладать таким весом одного квадрата: 1800 * 0,2 = 360 кг. И, соответственно, тепла в ней на 1 градус изменения температуры будет содержаться 0,88 * 360 * 1 = 316,8 кДж. То есть, промежуточно между деревом и бетоном.

А что же газобетон? А газобетон, если его плотность составляет 600 кг/м³, будет содержать в себе 0,84 * 120 * 1 = 100,8 кДж. Вот так. В два с лишним раза меньше дерева.

Однако же, если реально подходить к делу, какая бывает толщина деревянной стены? 150, максимум 200 мм. Брус. А газобетон можно положить плашмя в один ряд, а то и в два. При ширине блока 300 мм... Вобщем, понятно...

А что мы вообще затеяли этот разговор про теплоемкость? Чем она так важна?

Давай опять возьмем два примера. Дом бетонный и дом каркасный. Для начала посмотрим на строение их стен.

Вот стена бетонная. Толщина бетона, скажем, 20 см. Толщину теплоизоляции не будем обсчитывать, просто будем знать, что она есть, и толщина теплоизоляции бетонной стены равна толщине теплоизоляции каркасной стены. При толщине бетона в 20 см на нагрев 1 квадратного метра стены на 1 градус потребуется 0,84 * 480 * 1 = 403 кДж.

А вот это стена каркасная. Состоит она из утеплителя, ограниченного с двух сторон, например, фанерой. Вобщем, деревом, толщину определим в 2 см. При нагреве учитываем только внутреннюю обшивку, наружная здесь не принимает участия. Ведь она за утеплителем. И, значит, для нагрева 1 квадратного метра внутренней обшивки этой стены на 1 градус потребуется 2,3 * 10 * 1 = 23 кДж. 10 - это вес одного квадратного метра обшивки.

Итак, что же мы видим и что понимаем? Чтобы нагреть 1 м² бетонной стены на 1 градус, надо выработать, почитай, в 20 раз больше тепловой энергии. Правильно говорят, что каркасный дом прогреть гораздо быстрее. Это обстятельство очень ценят те, кто появляются на своей даче зимой набегами, 1-2 раза в месяц.

Для человека же более практичного и живущего в своем доме постоянно эта скорость не нужна. Ведь стена не только нагревается на один градус, она впоследствии и остывает на этот градус. То есть, отдает тепло. И бетонная стена отдаст в двадцать раз больше тепла, чем каркасная.

О чем это говорит? А это говорит о том, что каркасный дом придется топить чаще и меньшими порциями, в то время как бетонный можно протапливать реже и бОльшим количеством топлива. Итоговое количество выработанного тепла (и сгоревшего топлива) будет одинаковым, соответствующим теплопотерям, а вот удобство проживания в бетонном доме, несомненно, выше.

Кроме того, внутренняя обшивка каркасной стены прогревается быстрее, поэтому зачастую температура ее повышается больше. В результате разность температур между внутренней и наружной поверхностью стены повышается, что неизбежно ведет к повышению теплопотерь.

Надо сказать еще, что в этих процессах принимают участие не только стены, но и вообще все, что находится в доме, включая мебель, полы, перекрытия и т.п. Поэтому совсем немаловажное значение имеет, какой котел используется для отопления. Любая металлическая буржуйка не идет ни в какое сравнение с массивной, теплоемкой кирпичной печью.

А если, вдобавок ко всему, к кирпичному котлу пристегнут еще и водяной тепловой аккумулятор, то общая теплоемкость всех составляющих в сумме повышается на серьезную величину. В таких случаях уже можно говорить о том, что периодическое отопление переходит в разряд постоянного или очень близко к таковому.

Причем, имеется абсолютная независимость от ЖКХ, от их правил и самодурства чиновников, от состояния тепловых сетей и вообще от всего, что связано с централизованным отоплением. Хотя, это уже совсем другая тема.

Вот так влияет на нашу жизнь, казалось бы, неприметная графа в нормативах, определяющая удельную теплоемкость материалов, и ее формулой вряд ли стоит пренебрегать.