В.Н.Томашов,
Медиацентр, г. Москва

Дом, в котором мы живём

Когда рассматриваешь старинные здания, то изумляет колоссальная толщина кирпичных стен, как будто это не жилые дома, а крепости. Конечно, стены несут и силовую нагрузку, но толщина 1–1,5 м для одно- или двухэтажного кирпичного дома – это уже чересчур. Оказывается, такая толщина нужна, чтобы в таком доме было тепло зимой. Во время сильных морозов температуры внутри и снаружи сильно различаются. А по закону Фурье, количество энергии Q, передающееся через выделенную внутри тела площадку S, нормальную к направлению этого потока (линии l, вдоль которой происходит перенос энергии), пропорционально времени t, площади этой площадки и температурному градиенту , где T – температура. Если k – коэффициент теплопроводности данного вещества, то

.         (1)

Ниже приведены коэффициенты теплопроводности различных материалов в Вт/(м • К) из  «Справочника по физике» А.С.Еноховича.

Кирпич красный........................... 0,77
Сосна (поперёк волокон).............. 0,15
Сосна (вдоль волокон)................. 0,36
Пенопласт.................................... 0,035
Бетон (железобетон)..................... 2,33
Снег неуплотнённый..................... 0,11
Снег уплотнённый......................... 0,48
Воздух......................................... 0,025

Нетрудно сообразить, что стены дома из древесины толщиной 20 см, что обычно для индивидуального малоэтажного строительства в нашей стране, обладают такими же теплоизоляционными свойствами, что и кирпичные стены толщиной 75–100 см (пенопластовые стены могли бы иметь толщину всего 4–5 см). Кирпич веками был основным строительным материалом, так что метровая толщина стен старинных домов выбиралась, вероятно, именно по теплоизоляционным соображениям.

В настоящее время оказалось возможным разделить прочностные, теплоизолирующие и декоративные функции строительных материалов. Наилучшие прочностные качества имеет железобетон, позволяющий строить высотные дома со стенами толщиной около 20 см. Однако он плохой теплоизолятор, поэтому железобетонные стены во внутренних помещениях покрывают почти невесомыми листами пенопласта толщиной 5–10 см, а снаружи – декоративными материалами, например, тонкими слоями кирпича, отвечая замыслам архитектора.

Возвращаясь к дереву как конструкционному материалу, следует напомнить, что этот древнейший строительный материал до сих пор не утратил своего значения благодаря уникальным физическим свойствам. Древесина обладает анизотропией – её свойства зависят от направления. Сравните коэффициенты теплопроводности сосны вдоль и поперёк волокон – брёвна проводят тепло поперёк в два с лишним раза хуже, чем вдоль волокон! Это вызвано тем, что между волокнами, по которым в живом стволе поднимаются от корней к листьям растворы (соки) питательных веществ, извлекаемых корнями из почвы, находятся включения воздушных пузырьков, а воздух – очень плохой проводник тепла (по этой же причине и пенопласт – прекрасный теплоизолятор).

Теперь обратимся к другому хорошо известному теплоизолятору – снегу – и попробуем рассчитать теплопередачу в простейшем укрытии эскимосов – иглу. Будем считать, что единственным источником тепла в этом доме является человек. В спокойном состоянии он выделяет тепловой энергии около 100 Дж/с, т.е. его мощность 100 Вт.

           

Найдём приблизительно толщину стен иглу, рассчитанного, скажем, на трёх человек. Пусть температура окружающего воздуха –40 °С (это ведь за Полярным кругом), температура в иглу 0 °С (при более высокой температуре стены начнут таять и станет совсем неуютно). Теплопередачей через «пол» пренебрежём, считая, что он застелен теплоизолирующим слоем (шкурами животных, например). Размеры жилища возьмём скромные (иглу служит временным прибежищем); пусть R = 1,5 м, все остальные данные возьмём из таблицы. Из формулы (1) найдём, что где P – «тепловая» мощность трёх эскимосов, S = 2R2 – фактически площадь полусферы. Подставив числовые данные, получим l = 0,6 м, что весьма разумно.

 

Общий вид снежного дома и его схематическое строение

Таким образом, используя знания, полученные на уроках физики, можно понять идею постройки старинных и современных домов, а также численно рассчитать и необходимую толщину стен, и необходимую мощность нагревательных приборов.

Литература

Филатов Е.Н. Физика-8. (Экспериментальный учебник.)
Енохович А.С. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1990.

Сведения об иглу взяты из интернета. (www.americana.ru/iamer/igloo.htm),(http://home.no.net/gedra/igloobg.htm).