Warto przeczytać

Energia cieplna przepływa zawsze od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze i jest przenoszona przez zderzenia między cząsteczkami. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Cząsteczki ciała o wysokiej temperaturze poruszają się z dużą średnią energią kinetyczną, a cząsteczki ciała chłodniejszego mają mniejszą średnią energię kinetyczną. W zderzeniach cząsteczek energia kinetyczna jest przekazywana od cząsteczki o większej energii do cząsteczki o mniejszej energii. Przy kolejnym zderzeniu energia przekazywana jest coraz dalej w stronę obszaru o niższej temperaturze. W ten sposób następuje przewodzenie ciepła.

Zastanówmy się, od czego zależy szybkość przewodzenia ciepła przez pojedynczą szybę. Szyba ma kształt prostopadłościanu o grubości d i polu powierzchni S (Rys. 1.).

R1R4eHR1aYVSp

Rys. 1.Rysunek przedstawia schematycznie szybę w postaci pionowego prostopadłościanu. Grubość szyby oznaczona jest małą literą d. Po prawej stronie szyby panuje temperatura wielka litera T z indeksem dolnym jeden. Po prawej stronie szyby temperatura wynosi wielka litera T z indeksem dolnym dwa. Powierzchnia szyby oznaczone jest wielką literą S. Przez szybę przenika ciepło oznaczone wielką literą Q. Ciepło przenika przez szybę, ponieważ po obu jej stronach panują różne temperatury. Ciepło przenika od obszaru o wyższej temperaturze do obszaru o temperaturze niższej. Kierunek przepływu ciepła zaznaczono w postaci żółtej poziomej strzałki skierowanej w prawo ku temperaturze wielka litera T z indeksem dolnym dwa. Oznacza to, że temperatura wielka litera T z indeksem dolnym dwa jest niższa niż temperatura wielka litera T z indeksem dolnym jeden.

Szybkość przewodzenia ciepła to ilość ciepła, która przepłynęła przez ciało w jednostce czasu. Jeśli w czasie t przez ciało przepłynęła energia Q, to szybkość przewodzenia ciepła wynosi $\frac{Q}{t}$. Jednostką energii cieplnej Q jest dżul (J), jednostką czasu sekunda. Zatem jednostka szybkości przewodzenia ciepła: $[\frac{Q}{t}]$= $\frac{J}{s}=W$(wat – jednostka mocymocmocy).

Szybkość przepływu ciepła przez szybę jest wprost proporcjonalna do pola powierzchni przekroju poprzecznego szyby S, a także do różnicy temperatur po obu stronach szyby $\Delta T=T_1-T_2$. Natomiast im większa grubość szyby, tym mniejsza szybkość przepływu ciepła – są to wielkości odwrotnie proporcjonalne.

Możemy zatem wyrazić szybkość przepływu energii cieplnej wzorem:

Współczynnik proporcjonalności k nazywamy współczynnikiem przewodzenia ciepła (przewodnictwem właściwym). Jest on właściwością substancji, z jakiej zbudowane jest ciało przewodzące ciepło.

Przewodnictwo właściwe wyraża się wzorem:

gdzie:

Q – ilość ciepła przepływającego przez warstwę,

k – przewodnictwo właściwe,

S – pole przekroju, przez który przepływa ciepło,

t – czas przepływu,

ΔdeltaT – różnica temperatur między końcami ciała,

d – grubość warstwy przewodzącej ciepło.

Jednostką przewodnictwa właściwego jest $\frac{J·m}{s·m^2·K}=\frac{W}{m·K}$ (wat na metr i kelwin).

Im większe przewodnictwo właściwe danego materiału, tym więcej ciepła przepływa przez niego w jednostce czasu. Dobre izolatory cieplne mają więc małe wartości tego współczynnika. Tabela 1. przedstawia wartość przewodnictwa właściwego dla szkła okiennego i dla dwóch gazów.

Tabela 1.

RxYXe2M1s81ef

Rys. 2. Rysunek przedstawia budowę okna zespolonego. Okno zespolone składa się z dwóch szyb. Szyby oddalone są od siebie dzięki ramce dystansowej. Ramka dystansowa posiada element absorbujący wilgoć nazywany absorbentem wilgoci. Uszczelniona jest masą uszczelniającą. W wolnej przestrzeni między szybami znajduje się gaz szlachetny lub powietrze, które zapobiega przepływowi ciepła. Gaz znajdujący się pomiędzy szybami powinien charakteryzować się niską przewodnością ciepła.

Powietrze, a tym bardziej argon, są o wiele lepszymi izolatorami cieplnym niż szkło okienne. Warstwa powietrza o tej samej grubości i polu powierzchni przewodzi ciepło 32 razy wolniej niż szkło, a argonu nawet 44 razy wolniej. Dlatego powstał pomysł, aby skonstruować okno z warstwą powietrza lub gazu szlachetnego zamkniętą między dwiema szybami. To właśnie okno zespolone. Jego budowę pokazuje Rys. 2.

Przestrzeń między szybami musi być szczelna i wolna od wilgoci, aby okno nie ulegało zaparowaniu.

RxuexKy0XiFxx

Rys. 3. Rysunek przedstawia schemat budowy okna jedno, dwu i trzykomorowego. Pokazano cztery szyby w postaci poziomych prostopadłościanów w kolorze błękitnym. Pomiędzy szybami znajdują się elementy dystansujące w postaci poziomych prostopadłościanów. Obszar po lewej stronie od okna opisano jako zewnętrzny. Obszar po prawej stronie okna opisano jako wewnętrzny. Szybę najbardziej po lewej stronie opisano jako komora jeden. Szybę drugą od lewej opisano jako komora dwa. Szybę trzecią od lewej opisano jako komora trzy. Szybę najbardziej po prawej opisano jako komora cztery. Szybę najbardziej po lewej stronie opisano jako szybę pojedynczą. dwie skrajne szyby z lewej strony oraz element dystansujący pomiędzy nimi, opisano jako szybę zespoloną jednokomorową. Trzy szyby z lewej strony oraz elementy, dystansujące pomiędzy nimi, opisano jako szybę zespoloną dwukomorową. Wszystkie cztery szyby oraz elementy, dystansujące opisano jako szybę zespoloną trzykomorową.

Współczesne okna zespolone mają od jednej do trzech komór (Rys.3.).

Opór cieplny

Jak określić szybkość przepływu energii cieplnej przez kilka warstw różnych materiałów? Ciepło przepływające przez warstwę materiału o jednostkowej powierzchni i w jednostkowym czasie $\frac{Q}{\mathrm{\text{tS}}}$ , zgodnie ze wzorem (1), wynosi:

Wielkość

to opór cieplny, który określa zdolność warstwy materiału do powstrzymywania strat ciepła. Opór cieplny jest tym większy, im większa jest grubość warstwy d i im mniejsza wartość współczynnika przewodzenia ciepła k.

Jeśli przegroda izolacyjna składa się z kilku warstw różnych materiałów, to jej opór cieplny jest sumą oporów cieplnych poszczególnych warstw:

Współczynnik przenikania ciepła

Współczynnik przenikania ciepła U określa ilość ciepła przenikającego w czasie 1 s przez przegrodę o polu powierzchni 1 mIndeks górny 2², gdy po obu stronach przegrody panuje różnica temperatur równa 1K:

gdzie Q to ciepło przenikające w czasie t przez przegrodę, S – pole powierzchni przegrody, $\Delta T$ – różnica temperatur po obu stronach przegrody. Jednostka współczynnika przenikania ciepła: [U] = $\frac{W}{m^2·K}$ .

Współczynnik przenikania ciepła U charakteryzuje konkretną przegrodę, na przykład ścianę, okno zespolone itp. Natomiast współczynnik przewodzenia ciepła k (przewodnictwo właściwe) jest cechą materiału.

Współczynnik przenikania ciepła jest odwrotnością oporu cieplnego przegrody:

gdzie dIndeks dolny 1₁, dIndeks dolny 2₂, dIndeks dolny 3₃ to grubości warstw przegrody, kIndeks dolny 1₁, kIndeks dolny 2₂, kIndeks dolny 3₃ – współczynniki przewodzenia ciepła materiałów, z których zbudowane są kolejne warstwy.

Dla przegrody jednorodnej:

Możemy teraz porównać ciepło uciekające przez okno z pojedynczą szybą oraz przez okno zespolone jednokomorowe, składające się z dwóch szyb i przestrzeni między nimi wypełnionej argonem. Załóżmy, że w obu oknach zastosowano szyby o grubości 4 mm, a grubość warstwy argonu w oknie zespolonym wynosi 16 mm (to standardowe wymiary). W pokoju, a więc na wewnętrznej powierzchni szyby, temperatura wynosi 20Indeks górny 0⁰C, a na zewnątrz -5Indeks górny 0⁰C.

Opór cieplny pojedynczej szyby:

gdzie dIndeks dolny 1₁ = 0,004 m, kIndeks dolny 1₁ = 0,8 $\frac{W}{m·K}$.

Po wstawieniu danych liczbowych otrzymamy:

Opór cieplny warstwy argonu:

gdzie dIndeks dolny 2₂ = 0,016 m, kIndeks dolny 2₂ = 0,018 $\frac{W}{m·K}$.

Po wstawieniu danych liczbowych otrzymamy:

Opór cieplny okna zespolonego obliczymy, dodając opory cieplne dwóch szyb i warstwy argonu:

Dla okna z pojedynczą szybą ciepło uciekające przez 1 mIndeks górny 2² powierzchni w ciągu 1 s wynosi:

Wynik ten oznacza, że przez 1 mIndeks górny 2² powierzchni okna w ciągu 1 s ucieka aż 5 kJ energii cieplnej. Nic dziwnego, że w czasach, gdy nieznane były okna zespolone, budowano jak najmniejsze okna, aby zminimalizować straty ciepła.

Natomiast dla okna zespolonego wartość uciekającego ciepła wynosi:

Przez okno zespolone ucieka prawie 180 razy mniej energii cieplnej niż przez pojedynczą szybę!

Słowniczek