Коэффициент теплового расширения красного кирпича

Коэффициент теплового расширения красного кирпича

Перед прочтением рекомендуется освежить в памяти информацию о том, что такое ктр.

На нашем сайте мы стараемся дать максимально полную информацию по всем продуктам. Иногда для этого приходится что-то измерять самим, иногда – отправлять образцы в лаборатории с подходящим оборудованием. Ктр, к примеру, обычно измеряется на дилатометрах, а стоить они могут от сотен тысяч до десятков миллионов рублей, в то время как одно измерение – от одной до тридцати тысячи рублей, в зависимости от того, где и какой прибор и что конкретно вы от него хотите. Сейчас мы попробуем получить максимум информации из полученных данных.

О том, как измерить и обсчитать КТР.

Вкратце о том, как это происходит: берём красивый маленький обожжённый цилиндр из волнующей нас массы и медленно его нагреваем, измеряя изменение его размеров. На выходе получаем зависимость изменения размеров от температуры, к примеру:

Ктр (а точнее, кЛтр, он же Линейный), по определению – изменение относительных размеров от температуры. Таким образом, мы получаем третий столбец — делим разницу между ячейками во втором столбце на разницу между ячейками в первом (и умножаем на 10 миллионов, чтобы было красивое число):

Есть немного другие способы расчётов, но не будем сейчас о численных методах. Третий столбец – это и есть изменение ктр в зависимости от температуры. Теперь остаётся только усреднить все значения до 400, 500 и 600 градусов (сложить и поделить на их количество) – и мы получим три цифры, которые многие производители масс измеряют и указывают сами:

1000°C

20-400°C

20-500°C

20-600°C

Разумеется, для получения надёжных результатов стоит измерить 2-3 образца, усреднив потом результаты. Что же полезного ещё можно узнать из такой кучи цифр? Можно, к примеру, построить график ктр от температуры. И здесь начинается самое интересное.

Фазовый переход кварца, его влияние на массу.

Чистый кварц испытвает фазовый переход в области 573 о С. Если в массе есть химически несвязанный кварц, то около этой температуры будет скачок ктр: альфа-кварц превращается в бета-кварц, при любом фазовом превращении будет наблюдаться пик, отрицательный или положительный. Так как при усреднении захватывается участок 500-600, значения ктр 20-600 всегда значительно выше, чем 20-400 и 20-500. Больше кварца – больше величина пика. Достаточно легко это иллюстрируется графиками зависимости ктр от температуры для мкф2, пг100 и гончарной массы, обожженные на 1050 градусов по 10 минут до измерения:

Очень хорошо видно, что больше всего кварца в мкф2, затем идёт гончарка, затем – пг100. Наличие «большого «плеча» у мкф2 (400-600 оС) вызвано, скорее всего, тем что в процессе обжига образуется не чистый кварц, а кварц с чем-то (твёрдый раствор), – и из-за этого фазовый переход «размазан» влево. Этой особенностью также вызвана повышенная склонность мкф2 к отскоку от неё ангобов и глазурей – несмотря на то, что средние величины характерны для низкотемпературных масс:

1070°C

20-400°C

20-500°C

Если материал покрытия уже твёрдый, то отскок происходит именно в области плеча, где ктр выше 100, в то время как у большинства керамических материалов он, обычно, значительно ниже. Если глазурь ещё жидкая, или хотя бы мягкая, то она легко подстроится под быстро уменьшающуюся в размерах массу. Если глазурь уже твёрдая (или это ангоб), то будет либо отскок, либо изделие порвёт на части.

Среди особенностей поведения этих материалов можно увидеть минимум в области 100 градусов, которого практически нет у мкф2. Скорее всего, это связано с химически связанной водой и при измерении ктр образца при остывании этого эффекта не будет (мы обязательно потом проверим в следующий раз!). За связывание воды, в значительной степени, отвечают щелочные и щелочноземельные оксиды в составе массы (Na2O, CaO и тд). В мкф2 много кварца, который хорошо связывает эти оксиды, не позволяя взаимодействовать им с влагой воздуха.

Влияние степени обжига (температура, выдержка, количество обжигов) на ктр.

Теперь посмотрим на образцы ПГ100, обожженные 10 минут и 2 раза по 10 минут:

И, аналогично, образцы гончарки:

Разницы в случае ПГ100 практически нет, поскольку для неё этой температуры вполне достаточно и она «надёжно» спекается, образуя однородную химически массу. Идея в том, что глина до обжига – смесь различных веществ, которая будет давать график с большим разбросом значений и «размазанными» пиками благодаря немного отличающемуся вкладу разных веществ. Больше и выше жжём – и получаем материал с индивидуальными, выраженными свойствами, а не с суммой свойств всех компонентов.

Для гончарки 1050 – не предел, поэтому при более длительном или более высоком обжиге она становится равномернее и однороднее – соответственно, все характерные минимумы и максимумы любых зависимостей будут более чётко выражены, а разброс значений будет меньше. Также заметно, что средний ктр немного вырос, причём не за счёт кварцевого перехода, а «по-честному», за счёт снижения пористости. Увеличение ктр при более тщательном обжиге лучше видно при большем разбросе температур, например, для мкф1:

При обжиге на 1260 градусов часть кварца «дореагировала», уменьшив пик кварца, а также в составе появилось нечто, дающее пик около 150 градусов. Именно поэтому одна и та же глазурь на недожженной массе может дать цек, а на пережжённой – отскочить или порвать изделие. Важно понимать, что в характеристиках массы всегда указываются средние значения, не показывающие «неожиданности», например, около 150оС – ктр доходит до 100, все глазури уже твёрдые, а значит, шанс отскока даже выше, чем в случае мкф2.

Париан и Bone China

Теперь сравним две очень разные, но кое в чём похожие массы:

Из графиков и из опыта можно сказать, что 1220 для bone china — явный недожог – масса всё ещё немного пористая, очень выражен минимум на 100 градусах (падение ктр где-то с 65 до 40), а кварцевый пик достаточно большой, в то время как париан получился «почти»: глубина минимума на 100 градусах всего 10 единиц (с 60 до 50), а кварцевого пика почти нет (хотя в составе его гораздо больше!). Важно отметить, высоты и глубины экстремумов стоит смотреть по средним значениям.

Подобные отличия при одинаковых условиях обжига, разумеется, вызваны отличием в химическом составе:

Что это такое?

Термин коэффициент расширения бетона обозначает, как сильно расширяется строительный материал при увеличении температуры.

Понятие связано с теплоемкостью и теплопроводностью раствора. Бетон, который может расширяться, имеет в составе добавки или напрягающий цемент. Таким образом, в результате получается стойкая смесь, которая способна изменяться в размере. Кроме этого, для создания конструкции необходимы швы, поддерживающие блоки. Если возникает слишком большой температурный перепад, то бетон может потрескаться. Для этого стараются правильно подобрать состав материала с высоким коэффициентом, поэтому можно предотвратить появление трещин.

Теплоемкость бетона Коэффициент расширения бетона

При строительстве домов с использованием бетона, всегда производятся расчеты, так вот для этого обязательно нужно знать удельную теплоемкость бетона. Удельная теплоемкость или просто теплоемкость бетона, очень важна и без нее не обойтись, в строительстве, когда например рассчитывается теплопроводность конструкции, для того что определить расходы на ускорение твердения строения из бетона.

Теплоемкость бетона — это количество тепла, которое нужно передать бетону, для того что бы его температура изменилась, на одну единицу.

Связанные статьи: Преимущества пенобетона

Коэффициент расширения бетона

Меняющийся размер бетона, из за влияния температуры, обозначается коэффициентом расширения бетона. Размер этого коэффициента расширения бетона равен 0.00001 (ºС)-1, а это означает, что если температура изменится на 80 ºС, то расширение будет около 0.8 мм/м. Получается, что для любой бетонной постройки требуются температурные швы.

Температурно усадочные швы

Температурно усадочные швы, в России должны быть начиная от 1.1 мм на 1м, делая вывод из расчета 0.3 мм — это усадка + 0.8 — температурный коэффициент. В строительных нормах и правилах (СНИП), размеры больше, так же стоит учитывать и то, что изменения температур порядка 80 ºС и больше, вызывают трещины в бетоне, который имеет жесткий наполнитель внутри, потому что существует разница коэффициентов расширения раствора и внутреннего наполнителя.

• Дома из пенобетонных блоков
• Сколько цемента в кубе бетона

Теплоемкости бетонов

Теплопроводность монолитных бетонов при условии что он воздушно-сухой составляет порядка 1.35 Bт/(m*ºC) = 1.5 ккал/(ч*м*ºС). Высокие характеристики теплопроводности такого тяжелого бетона, заставляют обязательно использовать утепление наружных стен из монолитного бетона.

Теплопроводность пористого бетона и его разновидностей — составляет порядка 0.35 — 0.75 Bт/(m*ºC)= 0.3-0.6 ккал/(ч*m*ºC), учитывайте, что прочность таких бетонов значительно ниже.

Удельная теплоемкость тяжелых и пористых бетонов (сухих) — около 1кДж/(кг*ºС) = 0.2 ккал/(кг*ºC)

Объемная теплоемкость тяжелых бетонов — около 2.5 кДж/(м3*К), пористых же зависит и изменятся от их плотности.

Смотрите так же: Керамзитобетон состав и пропорции

Удельная теплоемкость бетонной смеси (жидкой)- около 1.5 кДж/(кг*ºC) = 0.3 kkal/(kg*ºC), не забывайте, что такая смесь легче, чем тяжелый бетон и тяжелее чем пористый.

1. Значит, теплоемкость бетона чаще всего от 0.17 и до 0.22 ккал/кг. Как и теплоемкость у многих каменных материалов.
2. Становится понятно, почему дерево теплое, а бетон холодный, все из за низкой теплоемкости бетона. Теплопроводность дерева 0.6-0.7, что почти в 3 раза больше.
3. Коэффициент расширения бетона — показывает изменение бетона. Для бетона он равняется 10*10^-6. Почти как и у коэффициента расширения стали (в зависимости от марки они так же изменяются), в связи с чем железобетонные конструкции очень распространены.

Коэффициент теплового расширения описывает, как изменяется размер объекта, когда происходит повышение его температуры. В зависимости от конкретного использования, коэффициент расширения может быть линейный или объемный. Если тело твердое, требуется узнать изменение его длины или конкретной области, поэтому применяется коэффициент линейного расширения. Для жидкостей и газов используется только температурное расширение, коэффициент линейного теплового расширения для них не подходит, потому что приобретают форму емкости, в которой находятся.

Коэффициент объемного теплового расширения показывает, какое относительное изменение объема тела при постоянном давлении и изменении его температуры на 1 градус. Выражается формулой:

Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела, когда происходит его нагревание.

Коэффициент линейного теплового расширения может иметь разные значения, если направления измерений будут разными.

Теоретически рассчитать коэффициент линейного объема можно, зная коэффициент объемного расширения (α V ≈ 3 α L).

При нагревании некоторых материалов происходит их сжатие, а не расширение. У них коэффициент расширения (линейный) будет иметь отрицательное значение, к примеру, вода (коэффициент расширения с отрицательным значением при температуре 0-3,984 °С).

Свойства огнеупорных материалов

Огнеупорные материалы характеризуются огнеупорностью, температурой начала деформаций под нагрузкой, шлакоустойчивостью, температурным коэффициентом линейного расширения, теплоемкостью, тепло — и температуропроводностью, термической стойкостью, электропроводностью, механической прочностью (при обычных и высоких температурах), плотностью, кажущейся плотностью, пористостью, газопроницаемостью, постоянством форм и размеров при высоких температурах, внешним видом, макро — и микроструктурой и др. Все эти свойства условно можно разбить на три группы: теплофизические и термические, физико-технические, физико-химические.

1. Линейное расширение при нагревании
2. Теплопроводность
3. Теплоемкость
4. Температуропроводность

Линейное расширение при нагревании

Линейным расширением называется свойство материала увеличивать свои линейные размеры пропорционально количеству полученного тепла; обозначается оно ?.

Под линейным расширением ? понимают обратимое изменение размеров материала при нагревании (расширение) или при охлаждении (сжатие). Коэффициент линейного расширения а показывает удлинение единицы длины материала при нагревании его на один градус, отнесенное к первоначальной длине испытуемого образца. Чтобы линейное расширение выразить в процентах, для этого ? умножают на температуру, при которой определяют расширение, и на 100. Например, температурный коэффициент линейного расширения шамота при 800°С составляет 4,5-10-6. Следовательно, 1 м шамотной кладки в этом случае удлиняется на 1 ·4,5· 10-6·800· 100 = 3,6 мм.

Теплопроводность

Способность материалов и веществ, в том .числе и огнеупоров, проводить тепло называется теплопроводностью (?), выражающей количество тепла, которое проходит через стенку площадью 1 м2 толщиной 1 м в 1 ч при разности температур на противоположных поверхностях стенки 1 К (один градус Кельвина). Единица измерения теплопроводности — Вт/ (м · К).

Теплопроводность огнеупорных материалов определяется в соответствии с ГОСТ 12170—66 при стационарном (ловом потоке и температурах нагрева на горячей поверхности испытуемого плоского образца от 400° до 1000°С.

Теплоемкость

Теплоемкость огнеупорных материалов — количество тепла, необходимого на нагревание единицы массы материала на 1°С. Удельную теплоемкость измеряют в Дж/(кг-°С).

Различают истинную теплоемкость, т. е. теплоемкость материала при данной температуре, и среднюю теплоемкость — теплоемкость в определенном интервале температур. На практике_ обычно пользуются значениями средней теплоемкости с, которая может быть подсчитана по формуле

C0 — теплоемкость материала при 0°С; А и В — эмпирические коэффциенты; t — температура, °С

Температуропроводность

Температуропроводсть а характеризует процесс установления температурного градиента в материале при его нагревании или охлаждении и имеет размерность м2/ч.

Температуропроводность материала а зависит от его теплоемкости с, теплопроводности ? и кажущейся плотности ? и определяется по формуле

Температуропроводность материала необходимо знать я определения количества тепла, теряемого в окружающую среду тепловыми установками периодического действия.

β = 1 V ( ∂ V ∂ T ) p >left(>right)_

> , К −1 (°C −1 ) — относительное изменение объёма тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

Вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:

• 0,53⋅10 −4 К −1 (при температуре 5—10 °C);
• 1,50⋅10 −4 К −1 (при температуре 10—20 °C);
• 3,02⋅10 −4 К −1 (при температуре 20—40 °C);
• 4,58⋅10 −4 К −1 (при температуре 40—60 °C);
• 5,87⋅10 −4 К −1 (при температуре 60—80 °C).

§ 9.3. Тепловое объемное расширение

Измерения показывают, что в пределах не очень большого интервала температур можно считать, что относительное изменение объема пропорционально изменению температуры:

Коэффициент пропорциональности α называют температурным коэффициентом объемного расширения. Он показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяется объем тела при изменении температуры на 1 К. Коэффициент объемного расширения, как и коэффициент линейного расширения, зависит от природы вещества и температуры. Зависимость α от температуры незначительна и ею можно пренебречь, если интервал изменения температуры невелик. Для большинства твердых тел коэффициент α имеет порядок 10 -5 —10 -4 К -1 , т. е. очень мал по сравнению с коэффициентом объемного расширения газов.

Из формулы (9.3.1) легко найти выражение для объема тела при любой температуре:

В этой формуле значение начального объема V₀ обычно берут при начальной температуре t₀ = 0 °С. Однако и здесь, как в случае линейного расширения, можно пользоваться формулой

где V₁ — объем тела при температуре t₁; V₂ — объем тела при температуре t₂; Δt = t₂ — t₁.

Объем полого (пустого) твердого тела (сосуда) при нагревании увеличивается так, как если бы это тело было сплошным. Объем полости в твердом теле (сосуде) при его нагревании увеличивается так, как увеличивался бы объем тела, изготовленного из того же вещества и имеющего форму и размер полости.

Связь между коэффициентами линейного и объемного расширения

Коэффициент линейного расширения α₁ и коэффициент объемного расширения а связаны между собой. Эту связь можно найти, рассматривая тепловое расширение тела простой формы, например кубика с ребром l₀. При нагревании кубика на Δt каждая его сторона увеличится на Δl и станет равной

Объем тела при этом будет равен

Подставляя l из уравнения (9.3.4) в уравнение (9.3.5), получим

Так как величина α₁ очень мала, то при малых изменениях температуры членами Зα₁ 2 Δt и α₁ 2 (Δt) 2 можно пренебречь по сравнению с членом Зα₁. Поэтому

Итак, температурный коэффициент объемного расширения равен утроенному коэффициенту линейного расширения.

Зависимость плотности вещества от температуры

При изменении температуры тел изменяется и их плотность. Пусть при температуре t₁ плотность вещества равна р₁, а объем тела равен V₁. При температуре t₂ значения этих величин стали соответственно равными р₂ и V₂. Так как при изменении температуры масса тела m не изменяется, то

Разделив почленно второе равенство на первое, получим

Пользуясь формулой (9.3.3), можно записать

Так как αΔt значительно меньше единицы, то для приближенных расчетов можно упростить эту формулу следующим образом:

Пренебрегая выражением (αΔt) 2 по сравнению с единицей, получим

При нагревании плотность вещества уменьшается.

Тепловое расширение жидкостей

Связи между частицами жидкости, как мы знаем, слабее, чем между молекулами в твердом теле. Поэтому следует ожидать, что при одинаковом нагревании жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела. Это действительно подтверждается на опыте.

Наполним колбу с узким и длинным горлышком подкрашенной жидкостью (водой или лучше керосином) до половины горлышка и отметим резиновым колечком уровень жидкости. После этого опустим колбу в сосуд с горячей водой. Сначала будет видно понижение уровня жидкости в горлышке колбы, а затем уровень начнет повышаться и поднимется значительно выше начального. Это объясняется тем, что вначале нагревается сосуд и объем его увеличивается. Из-за этого уровень жидкости опускается. Затем нагревается жидкость. Расширяясь, она не только заполняет увеличившийся объем сосуда, но и значительно превышает этот объем. Следовательно, жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела.

Температурные коэффициенты объемного расширения жидкостей значительно больше коэффициентов объемного расширения твердых тел; они могут достигать значения 10 -3 К -1 ,

Жидкость нельзя нагреть, не нагревая сосуда, в котором она находится. Поэтому мы не можем наблюдать истинного расширения жидкости в сосуде, так как расширение сосуда занижает видимое увеличение объема жидкости. Впрочем, коэффициент объемного расширения стекла и других твердых тел обычно значительно меньше коэффициента объемного расширения жидкости, и при не очень точных измерениях увеличением объема сосуда можно пренебречь.

Особенности расширения воды

Наиболее распространенная на Земле жидкость — вода — обладает особыми свойствами, отличающими ее от других жидкостей. У воды при нагревании от 0 до 4 °С объем не увеличивается, а уменьшается. Лишь с 4 °С объем воды начинает при нагревании возрастать. При 4 °С, таким образом, объем воды минимален, а плотность максимальна(1). На рисунке 9.4 показана примерная зависимость плотности воды от температуры.

Отмеченное особое свойство воды оказывает большое влияние на характер теплообмена в водоемах. При охлаждении воды вначале плотность верхних слоев увеличивается, и они опускаются вниз. Но после достижения воздухом температуры 4 °С дальнейшее охлаждение уже уменьшает плотность, и холодные слои воды остаются на поверхности. В результате в глубоких водоемах даже при очень низкой температуре воздуха вода имеет температуру около 4 °С.

Объем жидких и твердых тел увеличивается прямо пропорционально росту температуры. У воды обнаруживается аномалия: ее плотность максимальна при 4 °С.

(1) Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С.