МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Лабораторный практикум

”ФИЗИКА В СТРОИТЕЛЬНОМ ДЕЛЕ”

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ЧЕРЕПОВЕЦ

2006

Рассмотрено на заседании кафедры физики ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № 1/66 от 30.08.06

Одобрено редакционно-издательской комиссией физико-математического факультета ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № 51 от 12.09.06.

Авторы: О.Н. Бубнова, Н.М. Федорчук.

Рецензенты: А.Г. Каптюшина, канд. тех. наук, доцент кафедры строительных технологий

В.Н. Ворожбянов, канд. тех. наук, доцент кафедры строительных

конструкций и архитектуры.

Научный редактор: В.С. Грызлов проф., д. т. н.

© О.Н. Бубнова, Н.М. Федорчук, 2006г

© ГОУ ВПО Череповецкий Государственный

Университет, 2006г

ВВЕДЕНИЕ.

Курс “Строительной физики “ для студентов строительных специальностей 270102, 270106 и 270115 входящий в основу комплекса научного проектирования зданий и сооружений, содержит, наряду со строительной светотехникой и акустикой, строительную теплотехнику. Данный лабораторный практикум в основном посвящён именно этому разделу и имеет своею целью закрепление теоретических знаний при изучении теплотехнических свойств ограждающих конструкций и микроклимата помещений. В процессе выполнения работ студенты приобретают навыки экспериментирования и анализа полученных результатов с точки зрения физико-технических требований, предъявляемых СНиП, как к отдельной конструкции, так и к зданию или сооружению в целом.

Лабораторный практикум включает в себя 6 работ, каждая из которых рассчитана на 4 часа. Перед выполнением лабораторной работы студент обязан изучить теоретическое введение, ознакомиться с оборудованием и с порядком проведения эксперимента. Непосредственно перед началом опыта студент должен пройти собеседование с преподавателем и получить индивидуальное задание. После окончания эксперимента, студент обязан показать преподавателю полученные экспериментальные данные. После этого студент готовит отчет по формам предусмотренными на кафедре. Оценка погрешности измерений проводится с учетом метрологических данных средств измерения.

В изготовлении экспериментальных установок, принимали участие А. П. Ордин (работы №2,3), С. В. Вавилов (работа №5), В. С. Грызлов (работа №4). В написании первого варианта лабораторного практикума по строительной физике (Изд. ЧФ ВоПИ 1992 г.) принимал участие доцент Н.А.Добромыслов

Настоящее пособие переработанное описание практикума (электронный вариант) подготовили преподаватели кафедры физики ЧГУ; профессор Н.М. Федорчук, старший преподаватель О.Н. Бубнова., при участии студентов (электронный набор) В.П. Вахрушев, В.К. Замашкин, Н.А. Мезгин, В.Е. Трунов, А.В. Труфанова, М.М. Цедрик.

Вопросы физики в строительном деле системно изложены в учебном пособии

Н.М. Федорчук, В.С. Грызлов. «Избранные главы физики в строительном деле». Череповец. 1994г., 122 с.

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСТНОСТИ.

1. Запрещается:

А) включать установку без разрешения преподавателя;

Б) оставлять работающую установку без присмотра;

В) прикасаться к оголённым проводам;

Г) включать установку и регулировать напряжение при отсутствии контакта

щупа с наружной шиной (работы №1, 2,3).

2. После окончания эксперимента отключить установку от электрической сети.

3. Обо всех замеченных неисправностях в работе установки необходимо немедленно

сообщить преподавателю или лаборанту.

4. Перед включением экспериментальных установок лабораторных работ 1,2 и 3

необходимо обеспечить надёжный контакт щупа с наружной шиной.

Работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ СТЕНЫ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

Цель работы: изучение и построение одномерного температурного поля наружной стены в условиях стационарной теплопередачи; расчеты тепловых потоков, термического сопротивления.

Оборудование: установка - электрическая модель фрагмента наружной

стены из сплошной кирпичной кладки.

1.1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ. [1]

В наружных ограждениях за счёт разности температур внутреннего и наружного воздуха возникает передача тепла, направленная в сторону понижения температуры. Передача тепла в общем случае может осуществляться теплопроводностью, конвекцией и излучением. Передача тепла через однородное тело осуществляется, в основном, теплопроводностью. Процесс теплопроводности описывается уравнением Фурье-Кирхгофа:

(1.1)

где t - температура;  - время; - коэффициент температуропроводности; - оператор Лапласа; – удельная теплоемкость среды; – объёмная мощность внутренних источников тепла; ρ – плотность среды.

Если процесс передачи тепла является стационарным , и внутренние источники тепла отсутствуют , то уравнение (1.1) упрощается и преобразуются, к уравнению Лапласа, которое в декартовой системе координат имеет вид:

(1.2)

Электрическое моделирование тепловых процессов основано на математическом подобии уравнений электро- и теплопроводности. Несмотря на различие физической природы этих явлений, они описываются одинаковыми по форме уравнениями. В частности, для электростатического поля справедливо такое же уравнение Лапласа, что и уравнение(1.2), но вместо температуры в нем фигурирует потенциал электрического поля :

(1.3)

В связи с этим для определения тепловых характеристик ограждающих конструкций задачу непосредственного измерения тепловых характеристик в натуре можно свести к задаче измерения электрических параметров в модели.

При создании электрической модели конкретной ограждающей конструкции необходимо учитывать количественные соотношения между тепло - и электропроводностью, которые следуют из аналогии законов Фурье и Ома в дифференциальной (локальной) форме:

(1.4) (1.5)

где -вектор плотности теплового потока; -вектор плотности электрического тока;

, - коэффициенты теплопроводности и электропроводности.

Таким образом, в методе электрического моделирования должны выполняться три основных принципа подобия натуры и модели:

1. Геометрическое подобие формы. Этот принцип означает, что расстояния между любыми сходственными точками на модели и в натуре должны быть пропорциональны друг другу (коэффициент подобия - ).

2. Сходство математических уравнений.

3. Подобие физических констант. Это подобие означает, что коэффициенты тепло- и электропроводности в сходных точках должны изменяться пропорционально друг другу:

(1.6)

В соответствии с изложенными принципами создаётся модель, например плоской наружной стены, из листа электропроводной бумаги, которому придаётся форма, подобная форме исследуемой конструкции. Если толщина конструкции значительно меньше остальных её размеров, то можно считать, что тепловой поток распространяется только в одном направлении: перпендикулярно поверхности стены. В этом случае можно использовать по аналогии законы Фурье и Ома в интегральном форме:

(1.7) (1.8)

Где - плотность теплового потока тепла через единицу поверхности стены; - разность температур на поверхностях плоского слоя; δ - толщина плоского слоя;

-величина тока; – электрическое сопротивление проводника, на концах которого поддерживается разность потенциалов .

Сравнение уравнений (1.7) и (1.8) позволяет установить аналогию между плотностью теплового потока и величиной тока ; между перепадом температур и разностью потенциалов , между коэффициентами λ и , а также позволяет ввести понятие теплового сопротивления, аналогично понятию электрического сопротивления:

(не Омы!) (1.9).

Модуль плотности теплового потока вычисляется по формуле:

(1.10).

Термическим сопротивлением однослойной конструкции называется величина: (1.11)

Таким образом: ; (1.12).

Малоподвижные слои воздуха, находящиеся непосредственно у поверхностей конструкций, также обладают термическими сопротивлениями. В связи с этим для внутренней поверхности вводят понятие сопротивления тепловосприятию , а для наружной - сопротивление теплоотдаче . Величины этих сопротивлений

(1.13) , (1.14).

Где – коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности; – коэффициент теплоотдачи внешней поверхности.

Численные значения и приводятся в СНиП .

Общее термическое сопротивление ограждающей конструкции определяется по формуле:

(1.15).

В стационарных условиях плотность теплового потока, проходящего любую плоскость сечения ограждающей конструкции, имеет постоянную величину, что позволяет записать следующие соотношения:

(1.16).

Где , , и температура внутреннего, наружного воздуха, наружной и внутренней поверхностей соответственно.

Решая уравнения (1.16) относительно , получим формулу для определения температуры внутренней поверхности конструкций:

(1.17)

(1.18).

Значение (скачка температуры) нормируется в СНиП.

Аналогично можно вычислить температуру в любой плоскости конструкции, зная термическое сопротивление между этой поверхностью и поверхностью наружной стены.

Из метеорологических наблюдений в каждой местности задают значения . В строительном деле используют усредненные данные за период ≥10 лет. Для Вологодской обл. и Череповца величины среднемесячных по году температур t_н приведены в таблице (см. Приложение. Таблица 5. Там же приведены значения и, <>).

Значение температур важно для нормального функционирования человека в помещении. Оптимальная температура для работы умственного характера 23-24°С. Температура 27-28°С воспринимается как жарко, 17-18°С – прохладно, 14-12°С – холодно. При задании значения руководствуются данными Приложения, таблица 6.

При физиологической приемлемости помещения важной вехой является температура , перепад температур и относительная влажность f %. Значения температур,, влажности нормируются в СНиП, при чём должно быть обязательно> , где – точка росы.