STAVÍME DůM Dějiny stavitelství -
předpoklad každé stavby – STAVIVO hlavní zdroje v přírodě – dřevo, kámen, hlína (pálená, nepálená), materiály organického původu (např. sláma) s otázkou staviva souvisí i jeho doprava (čím nižší je vývojový stupeň, tím více se používá místních materiálů) každý materiál se musí vhodně opracovat - pevnost, trvanlivost → konstrukce souvisí s vlastnostmi materiálu, dalším faktorem je účel stavby
Stavební sloh je souhrnem složitých materiálních, technických,účelových a formálních činitelů, které vyrůstají z celkového charakteru určité společnosti nebo její dané vývojové fáze. Sloh má 3 fáze: 1) Raná – vede se zápas s hmotou a konstrukcí 2) Vrcholná – soulad technické a výtvarné stránky 3) Pozdní – zaměření na formální otázky - prolínání různých kultur (vracení se) - součást životního stylu, odraz dobové ideologie PRAVĚK - prvotní obydlí se stavěla za účelem ochrany před zvěří, úkryt při nepříznivém počasí - Paleolit (1 mil. – 250 tis. let př.n.l.) až doba bronzová Prvotní úkryt člověka – jeskyně (dané přírodou), ale ty nebyly všude - museli si stavět sami jiná obydlí – zemní jámy, vyhloubené v rovinatém terénu (území dnešní Ukrajiny). Jámy mají půdorys neurčitých obrysů., byly kryté; stavivo - místní zdroje – např. dřevo Chýše- střecha posazená přímo na zemi, (malé kameny, větve, listy, rákosí) - měli pravidelný tvar Dům- střecha na podezdívce či na zdi Existuje několik druhů chýší - rozdíl v půdorysech→vnitřní prostor Nejjednodušší stavby - vznikly kupením hmot Obecně se označuje jako megalitické stavby – např. (Stonehenge), dolmen - základ soustavy podpor a břemene (plochý kámen na 2-4 kamenných podporách)- hrobky; vznik - západní Evropa konec 3.tis. a pol. 2 tis. př.n.l. Pravěká sídliště – nepravidelná - volný shluk chýší či domů STAROVĚK Mezopotámie (4 tis. př.n.l. až 539 př.n.l.) -
materiály: hlína, palmové dřevo, přírodní asfalt, kámen a kov první forma vepřovic (sušené cihly), cihly glazovaným povrchem poč. kleneb, oblouků
Egypt (5 tis. př.n.l. až 30 př.n.l.)
-
materiál: hlína, palmové dřevo, rákos, kámen, cihelné zdivo pyramidy – hrobky faraónů; z kamenných bloků dopravovaných po Nilu, po souši využití saní; u stavění využívali páky, postupné zasypávání stavby
Staré Řecko (3000 př.n.l až 1200 př.n.l) -
materiál: zdivo z pálených i nepálených cihel vyztužené dřevěnými kleštinami, kámen, dřevo, malty, železo, olovo, rozmanité typy staveb – např. chrámy, domy, divadla → znalost statiky
Starověký Řím (1000 př.n.l. až 4801 n.l) -
materiály: dřevo, kámen, sušené cihly, pálené cihly, lité zdivo (směs malty, kamenů, cihelných úlomků – „beton“) stavby: od chrámů, přes obytné domy, lázně, divadla, inženýrské stavby (mosty, silnice,…)
STŘEDOVĚK (poč. 7 st. př.n.l. až 15.stol.n.l.) -
materiál: kámen, cihly (pálené i sušené), dřevo vývoj stavební techniky – kupole, klenby, oblouky, opěrné sloupy,hrady, přístavy
NOVOVĚK (konec 15.stol.n.l. až po současnost) - materiály: klasické dosud používané; od 18. stol. použití litého železa, počátky používání kombinace železa a skla; přelom 19. a 20. století použití betonu a železobetonu; současnost – kombinace stávajících, nanotechnologie, plasty
Moderní stavitelství Čtyři základní obory ve stavitelství: A) B) C) D)
pozemní (občanské výstavby, bytová, administrativní,..) průmyslové inženýrské (dopravní,železniční) vodní
Dělení: Stavební materiály – beton, cihelné tvárnice, cemento-třískové desky, plastové desky, dřevo a keramika Izolační materiály: – izolace proti vlhkosti:asfaltové pásy, plastické hmoty, - tepelná izolace: polystyren, sklovláknité desky, kamenná vlna, vakuová
-
izolace jiné izolace: protihluková, protiotřesová, protiprachová
Podle původu: A) přírodní (kámen,dřevo,hlína,atd.) B) umělé (cihla,cement,beton,atd.) Podle jiného hlediska na anorganické(kámen,cihla,ocel,apod.) a organické (dřevo,plast,atd.)
Základní fyzikální, chemické a jiné vlastnosti stavebních materiálů a) vnější vzhled a přesnost výrobních rozměrů b) struktura c) hmotnost d) objemová hmotnost e) vlhkost f) nasákavost g) navlhavost h) vzlínavost
ch) mrazuvzdornost i) odolnost proti vysokým teplotám j) tepelná vodivost k) tepelná akumulace l) akustická vodivost
Fyzikální vlastnosti 1.Vlastnosti tvarové a rozměrové Zahrnují popis tvaru a související geometrické veličiny (např. délka, šířka) 2. Vlastnosti hmotnostní: Vyjadřují tíhové a setrvační vlastnosti látek, které zaujímají určitý objem prostředí. Základní fyzikální veličiny: a) hmotnost m – vyjadřuje gravitační setrvačné vlastnosti látky a tvoří míru jejího množství, jednotka [kg] b) hustota ρ – definována jako: ρ = m / V , jednotka [kg.m-3] c) objemová hmotnost ρ v – průměrná hustota látky rozložená v ohraničeném prostoru, definuje se: ρ V = m / V = (mh + m k + m p ) / V , kde mh je vlastní hmotnost látky, mk je hmotnost kapalin a m p je hmotnost plynů d) sypná hmotnost ρ s - objemová hmotnost sypké látky e) hutnost H stavebniny – vyjadřuje poměr objemu vyplněného jen pevnou látkou Vh k objemu celkového množství látky (včetně pórů a mezer) V, je definována: H = Vh / V = ρ v / ρ [1] f) pórovitost p stavebniny – je doplněk hutnosti do 100%, definována: ρ − ρv p % = 100(1 − H ) = 100 [%]
ρ
g) mezerovitost M sypké stavebniny – poměr objemu mezer mezi zrny Vh k objemu V, který ⎛ ρv − ρs ⎞ ⎟⎟ stavebnina zaujímá; definuje se : M = 100Vh / V = 100⎜⎜ [%] ⎝ ρv ⎠
3. Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům → vliv na změnu tvaru (bobtnání, sesychání, atd.), pevnosti, tepelných vlastností, odolnosti proti korozi, atd. a) vlhkost w ,vyjadřuje množství volné nebo fyzikálně vázané vody v pórovité nebo mezerovité stavební látce; rozlišuje se: [%] hmotnostní vlhkost wm = 100mk / m s = 100(m w − m s ) / m s objemová vlhkost wv = 100Vk / V = (m w − m s ) / (ρ k V ) [%] b) nasákavost n – je schopnost materiálu pojmout co nejvíce kapaliny, je to vlastně největší možná vlhkost materiálu, opět se rozlišuje: nasákavost hmotnostní nm a objemová nv c) navlhavost (opakem ve vysýchavost) je dána chováním materiálů ve vzdušném prostředí při působení atmosférické vlhkosti; ovlivňuje zejména hmotnost, tepelnou vodivost, pevnost, mrazuvzdornost a odolnost proti chem. látkám
d) vzlínavost – projevuje se u některých látek při jejich částečném ponoření do kapaliny, způsobují to kapilární a absorpční síly e) difúze – je schopnost pronikání molekul plynů, par a kapalin mezi molekuly jiné látky; je charakterizována tzv. součinitelem difúze, který je závislý na teplotě a vlhkosti, jednotka je [m2s-1] f) propustnost – je charakterizována součinitelem propustnosti; používá se v mechanice zemin a vodním stavitelství; v praxi se uvádí jako množství kapaliny, která prošla vrstvou zkoušené látky za časovou jednotku při daném přetlaku (např. vodopropustnost střešní krytiny)
Mechanické vlastnosti 1. Síla, tření, napětí a) síla F - F = ma
[kgms ] −2
b) tíha G - G = mg ; používá se i měrná tíha (vyvozená hustotou látky) a objemová tíha c) zatížení F – účinek všech vnějších sil působících na stavební prvek či konstrukci; rozeznává se stálé G, nahodilé V, sněhem S, větrem W ΔF Nm −2 ΔA - vyjadřuje stav napjatosti materiálu v každém elementu prvku; rozlišuje se: 1) normálové napětí σ 2) smykové τ 3) smluvní – vyjadřuje výpočet hodnoty napjatosti tělesa v jeho určitém místě za zjednodušujících předpokladů předepsaných v technických normách
d) mechanické napětí σ - σ =
[
]
2. Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálu - souvisí se vznikem napětí v materiálu, působením vnějších sil, vlivem teplotních a jiných objemových změn - skutečné změny rozměrů tělesa se vyjadřují vzhledem k původnímu tvaru pomocí tzv. poměrných deformací: 1) poměrné prodloužení ε – ve směru namáhání tahem (tlakem):
ε=
L − L0 ΔL = L0 L0
L0 …původní délka L… délka po deformaci
2) poměrné posunutí (zkos) γ – vyjadřuje tangentu úhlu, o nějž se v důsledku příčného působení smykového napětí změní původní pravý úhel sousedících řezů elementu tělesa 3) poměrné zkroucení (zkrut) δ – vyjadřuje úhel pootočení dvou příčných řezů tělesa dělený jejich vzdáleností
- pro navrhování stavebních prvků a konstrukcí a stanovení jejich deformací se provádí experimentálním měření – pracovní a deformační diagramy.
3. Pevnost stavebních hmot - hodnota pevnosti je obvykle dána smluvním mezním napětím těsně před jejich porušením - základní druhy pevností: Ft [Pa ] a) pevnost v tahu Rt = , kde Ft…tahová síla; A0…počáteční průřez A0 b) pevnost v tlaku Rc =
Fc , kde Fc…tlaková síla; A0…počáteční průřez A0
c) pevnost v příčném tahu (pevnost ve štípání) Rttr =
[Pa ]
2F c 2F pro válec; Rttr = 2c πdh πa
d) pevnost v ohybu – napětí ve vlákně ve vzdálenosti a od neutrální osy (roviny) nosníku [MPa] je dáno vzorcem: σ f = M f at / I - největší napětí nastává v krajním vlákně průřezu nosníku: σ f = M f /W [MPa] Mf…ohybový moment k danému průřezu nosníku [Nm ] I… moment setrvačnosti průřezu, vyjádřený kvadratickým momentem plochy průřezu v m 4 W…průřezový modul odporu v m 3 a…vzdálenost vlákna od neutrální osy v [m]
[ ]
e) pevnost ve smyku Rs = Fs / A0
[ ]
[MPa]
f) pevnost v kroucení Rtor = M tor / Wtor ,
[Pa ]
kde Mtor…výsledný moment dvojice sil Wtor…průřezový modul v kroucení (ve statických tabulkách) g) jiné – např. houževnatost, křehkost, soudržnost, odolnost proti otluku 4. Tvrdost materiálu - odpor proti tvárné deformaci materiálu; existuje mnoho metod řešení tvrdosti materiálu - např. vrypován metoda (stupnice tvrdosti) 5. Tepelné vlastnosti
-
-
vyjadřují chování materiálů, které jsou vystaveny účinkům tepla nebo mrazu tepelná vodivost materiálu závisí např. na jeho složení, struktuře, pórovitosti, vlhkosti i teplotě; popisuje se součinitelem tepelné vodivosti λ [W / mK ] dále se uvádí tepelná kapacita c teplotní vodivost ( součinitel teplotní vodivosti) a – rychlost vyrovnání teplot v tělese při neustálém vedení tepla: a =
-
λ cρ v
[m / s] 2
tepelná jímavost b – schopnost látky přijímat a uvolňovat teplo: b = λcρ v W 2 sm −4 K −2 ΔL K −1 - teplotní délková roztažnost α - α = L0 ΔT
[ [ ]
]
Tepelně technické vlastnosti 1. odolnost proti teplu ve [°C] – teplota látky, při níž dojde ke změně mechanických vlastností 2. žáruvzdornost – odolnost vůči teplotám nad 1000°C 3. hořlavost – uvádí se teplota vzplanutí nebo vznícení; důležité pro posouzení požární odolnosti stavby 4. mrazuvzdornost – koeficient mrazuvzdornosti M po n zmrazovacích cyklech: R fn Mn = Rf R f …průměrná pevnost zkušebních vysušených těles [MPa ] R fn …průměrná pevnost po n zmrazovacích cyklech [MPa ]
Ostatní vybrané vlastnosti stavebnin 1. Akustické vlastnosti -
-
při navrhování akustiky je nutné znát rychlost šíření zvuku v jednotlivých prostředích, akustickou impedanci, útlum, vzduchovou neprůraznost, pohltivost povrchů, přenos a tlumení chvění, otřesů i rázů,… rychlost šíření zvuku v materiálech závisí na modulu pružnosti v tlaku E nebo tahu o objemové hmotnosti látky: v =
ρv
-
rychlost zvuku v: vzduch….344 ms-1 voda……1484 ms-1 ocel…….6000 ms-1 beton…...3500-4600 ms-1 hliník…...6300 ms-1 ve směru vláken dřeva…..3600-4100 ms-1
2. Optické, světelně technické (lom, odraz světla, průhlednost , průsvitnost, atd) 3. Elektrické a magnetické (např. rezistivita, konduktivita, permitivita a útlum elm vln) 4. Chemické vlastnosti (koroze – působení organismů a jiných organických či anorganických látek)
Stavební materiály Kámen
=určitý druh opracované nebo neopracované horniny Používá se kusový kámen na stavební kámen nebo dekorační, ve formě písku, drti Základní technické vlastnosti: Jeho užití závisí na jeho složení,struktuře,vlhkosti a jeho zvětrání 1)pevnost kamene- v tlaku souvisí s jeho objemovou hmotností úměrně- dosahuje až 500 MPa, sama pevnost pro tvrdost není rozhodující 2)tepelně izolační schopnost- roste s pórovitostí úměrně, s pórovitostí souvisí nasákavostvysoká snižuje mrazuvzdornost, u hutných hornin je nasákavost menší než 0,5% 3)proti ohni- závisí na množství křemene nepřímo úměrně, vysoký obsah křemene- nad 550°C není stálý, bez křemene 900°C značné objemové změny u většiny hornin, nejstálejší s příměsí čediče 4) pružnost-rozmanitá-nejvíce se používají čedič, žula, pískovec a vápenec poloviční 5) měrná hmotnost – od 1900-2800 kg/m3 (-) Kámen má velice špatnou izolační (tepelnou,vlhkost), vysoká hmotnost (+) Pevnost,odolnost při vysokých teplotách, zvuk.izolační
Cihlářské výrobky =umělá kusová staviva s pórovitým střepem zhotovená tvářením, sušením a pálením vhodných zemin, zejm.hlín a jílů při teplotě 900-1100 °C Příklady užití:cihly, tvárnice, tvarovky (stropní dílce, trubky, obklady, krytina, atd.), zdravotní keramika (klozety, umývadla, atd.), porcelán, kamenina (potrubí); žáruvzdorné výrobky (šamotky) – vydrží až 1580 °C, dinasové – 1710 °C , magnezitové, dolomitové, chromitové – do 2000°C, uhlíkové – do 2500°C Vlastnosti: 1)pevnost- záleží na druhu konstrukce(nosné prvky a nenosné prvky) - plné cihly jsou v různých pevnostních třídách (od 4 – 25 MPa- pevnost v tlaku, př.ozn. P7)
- tvárnice (od 7,5-15 MPa) - ostatní (pevnost se neuvádí), udává se např. únosnost (kN/m2 ) 2) tepelně izolační – plné cihly na rozdíl od tvárnic mají výrazně menší tepelný odpor např. pro tloušťku zdiva 450 mm - tvárnice R = až(max) 5,06 m2K/W × cihla R = 0,58 m2K/W - (tloušťce zdiva z tvárnic 450 mm se vyrovná cihlová 2700 mm) - ovlivňuje i použití speciálních malt 3) mrazuvzdornost – vliv množství pórů v materiálu, čím víc pórů tím větší odolnost 4) nasákavost – vliv pórů, čím víc pórů, tím vyšší nasákavost → potřeba izolace 5) ohnivzdornost - vysoká odolnost (protože jsou pálené), obecně nehořlavé 6) akustika – záleží na druhu cihel, výroba spec.akustických; vzduchová neprůzvučnost od 38 do 62 dB; vliv tloušťky zdi, materiál 7) měrná hmotnost – 1600-2000 kg/m3 (+) velká variabilita stavby, malá hmotnost prvků, dobrá tepelně izolační schopnost, (-) křehkost Betonové konstrukce = směs kameniva (drobné od 0-4 mm, hrubé od 4-125 mm), pojiva(cement), vody, příměsi (úprava vlastností) Dělení: a) podle funkce – nosné a nenosné b) podle konstrukčního využití – konstrukční (sloupy, základy, stěny, atd.) - silniční - hydrotechnický (vodní stavby) c) podle objemové hmotnosti – lehké (od 800-2000kg/m3) - obyčejné (od 2000-2600 kg/m3) - těžké (nad 2600) Typy betonu: - běžný beton - železobeton - speciální betony(silniční, vodotěsný) Vlastnosti: a) pevnost v tlaku – od 10 do 115 MPa b) pevnost v tahu – od 1,0 do 8 MPa; vliv druhu a množství cementu a kameniva modul pružnosti 15000 až 40000 MPa (křehký)
c) tepelně izolační vlastnosti – vliv kameniva a provzdušňujících látek; pro dosažení vyšších izolačních vlastností – pórovité kamenivo - běžný beton – neuvádí se hodnota – pouze na nosné konstrukce, které se příp. dodatečně zateplují - tepelně izolační beton – (YTONG) při tloušťce 375 mm R = 3,32 m2K/W d) ohnivzdornost – ve srovnání s ostatními materiály poměrně vyšší, 1000°C (železobeton)- až 2300° C (barytový beton) e) nasákavost – vliv druhu, běžný je nasákavý, speciální vodotěsný(druh cementu) f) akustika – špatné izolační vlastnosti (roste s vyšší objemovou hmotností → lehký beton dobrý izolant (+) dobrá únosnost, variabilita a tvárnost (použití bednění), trvanlivost, ohnivzdornost, hospodárnost( rychlost stavby, recyklace), vodotěsnost (-) velká hmotnost, křehkost Dřevo Použití: Na nosné konstrukce(mosty, krovy,stropy,schodiště) Dekorační účely (zábradlí, obložení) Vlastnosti: a) pevnost – závisí na směru vláken ( ve směru vláken ( v tahu až 145 Mpa, v tlaku 40- 75 MPa)je vyšší než v kolmém směru( v tlaku 5 – 10 krát menší); v tahu je 2,5 krát větší než tlaku, b) pružnost – ve směru až 50-krát větší než v kolmém, klesá s vlhkostí c) vlhkost – nejdůležitější vlastnost; čerstvé obsahuje 40-80% vody, vysušené 15-20%(to se používá), negativně ovlivňuje kvalitu dřeva d) trvanlivost – záleží na druhu(tvrdé, měkké), je-li stále pod vodou či stále na suchu- větší trvanlivost(konzervace) e) měrná hmotnost – vlhké – od 850-1550 kg/m3 - suché – 500-1200 kg/m3 f) ohnivzdornost – hořlavé (vliv nátěrů – delší doba odolávání), bod zápalnosti je teplota 300470°C g) tepelná izolace – dobrý tepelný izolant(lepší než beton, horší než tvárnice) h) akustika – odráží zvuk, výroba hudebních nástrojů,využití v koncertních síních; intenzita průchodu zvuku tloušťky materiálu 50 mm je 27 db
(+) malá hmotnost, dobrá tepelná izolace, pevnost (-) šíření vibrací, hořlavost
Ocel Použití: na nosné konstrukce(most, schodiště, sloupy, do betonu jako výztuž), dekorační (zábradlí) Druhy: a) uhlíkové (slitiny Fe a C, a např. Mn,Si,P) b) slitinové (legované-kvalitnější, Ni, Cr, V) Vlastnosti: a) pevnost v tahu : nejvyšší; od 150 do 450 MPa b) mez kluzu : 210 Mpa (přetržení) c) pevnost v tlaku : u houževnatých ocelí nelze zjistit - pokládá se jako pevnost v tahu d) kujnost e) měrná hmotnost 7850 kg/m3 f) tepelně izolační : dobrý vodič, nepoužitelný jako izolant g) trvanlivost : koroze, vhodné ochranné nátěry h) akustika : dobrý vodič i) ohnivzdornost : nárůstem teploty ztrácí pevnost (+) vysoká pevnost, pružnost; odolnost (-) hmotnost, koroze
Sklo =látka vyznačující se amorfním a homogenním stavem, tuhostí v přibližných teplotách a propustností světla
Základní suroviny: SiO2 křemičitý písek, alkálie (soda, potaš K2CO3), snižující teploty tavení písku, čířidla, barviva Teplota tavení přibližně 1500°C. Druhy stavebního skla: - klasické ploché - zrcadlové (Float) vyrábí se plavením skla po hladině roztaveného kovu, oba povrchy jsou zároveň leštěny ohněm - stavební mozaika (lisování skleněné moučky) - klasické bezpečnostní- tzv.Connex – 2 vrstvy plochého a mezi nimi vložka z organické plastické hmoty, vícevrstvé- neprůstřelné sklo - bezpečnostní tvrzené- tzv.Restex – sklo s tlakovým předpětím na povrchu (pomocí prudkého zahřátí, a prudkého zchlazení) - vzorované sklo(např. do dveří) - ploché sklo válcované- opakní- (např. na obklad) - izolační dvojskla- Ditherm – složeny ze dvou a více tabulí oddělených distančním rámem a mezi skli je směs plynu (netečné plyny) - skleněné tvarovky- Luxfery- duté tvárnice ze skla - skleněné tašky (menší pevnost než klasické) - skleněné vlákno(polotovar pro řadu výrobků-např.skelná vata) - pěnové sklo - ztuhlá skleněná pěna s uzavřenými póry, tedy lehká izolační hmota Vlastnosti: a) pevnost v tlaku – až 1200 MPa b) pevnost v tahu – 30 až 90 MPa c) v ohybu – 40 až 190 MPa d) modul pružnosti – 50 – 90 GPa e) křehké (+) pevnost, průsvitnost, odolnost vůči chem. látkám a vysokým teplotám (-) křehkost
Plasty = polymery, pryskyřice, makro nebo vysoko molekulární látky organického původu, které lze formovat pod tlakem nebo teplem do libovolných tvarů; Rozdělují se na reaktoplasty (termoset a duroplast- zpravidla netavitelné a nerozpustné, lze je tvarovat pouze jednou) a termoplasty (jsou hmoty teplem tvárné) Vlastnosti: a) b) c) d) e) f) g)
pevnost v tahu a tlaku je zhruba stejná od 0,5 MPa až do 250 MPa tažnost – od 1 až do 100% objemová hmotnost – 17 až 2300 kg/m3 modul pružnosti – od 3 do 16000 MPa tepelná odolnost – velice rozmanitá – od 100 až do 250°C (hoření) akustické vlastnosti – malá rychlost šíření vln → velmi dobrý izolant tepelně izolační – závisí na složení, tepelná vodivost poměrně nízká, většina dobrý izolant h) většina vodě odolná i) chemické vlastnosti – vysoká odolnost proti korozi; odolávají působení vody, alkálií, kyselin (některé předčí svou odolností i drahé kovy (např. teflon odolává působení lučavky královské, v níž se většina kovů rozpouští))
Rozdělení: a) z přírodních makromolekulárních látek – tj. celulóza; pryskyřice; želatina; albumin; kasein (je v mléku) – nátěrové hmoty, klíh; kaučuk b) termoplasty – polyethylen (PET) – např. fólie, trubky; polypropylen (PP) – např. tkané textilie, podlahoviny; polystyren (PS) – izolace tepelná; PVC; polyamidy (PA) c) termosety – laminát, epoxid (EP), polyuretan (PU) – např. u oken; silikon d) syntetický kaučuk e) plasty jako přísady do malt a betonů (+) odolnost vůči chem. látkám, tvárnost, ohebnost ,tažnost, pevnost, izolační schopnosti (-) hořlavost, špatně ekologicky odbouratelné
Izolační materiály a výrobky Jejich účelem je chránit stavební dílo a zařízení před nepříznivými účinky vody a vlhkosti, mají zabraňovat ztrátám tepla a pronikání chladu a odstraňovat rušivé účinky hluku a otřesu. Rozdělení: a) b) c) d) e) f)
proti vodě a vlhkosti tepelně izolační hmoty proti hluku a otřesům proti chem. vlivům průmyslové izolační hmoty speciální izolační hmoty
Proti vodě a vlhkosti Živičné izolace, které se dělí na: a) živičné nátěry – penetrační nátěr (např. pod asfaltový pás); b) živičný izolační pás – (např. ipa) c) asfalt Izolace z plastu a pryži: - fólie – např. PVC, PE Tepelné izolace Jsou vláknité hmoty: a) minerální vlna b) skelná vlna
c) čedičová vlna Tvarované hmoty: a) výrobky z křemeliny b) výrobky z korku c) výrobky lehčené (lehký beton, pěnové sklo, lehčené plasty) d) výrobky z organických vláken e) výrobky z asfaltovaného papíru Sypké: a) křemelina b) expandovaný perlit c) korek Dělení z hlediska mezní teploty: a) mrazírenské- od -3°C do -60°C b) chladírenské – od +5°C do -3 °C c) stavební – od -25°C do +35°C d) topenářské – do 200°C e) teplárenské – od 200°C do 900°C f) žárotechnické – nad 900°C Proti hlukům a otřesům: Zvuková pohltivost = vyjadřuje poměr intenzity zvuku pohlceného k intenzitě zvuku dopadajícího Průzvučnost překážky = je hodnota zvukové energie, která projde překážkou na druhou stranu Zvuková neprůzvučnost = schopnost materiálu pohlcovat zvuk Používají se stejné výrobky jako tepelných izolací (výrobky z vláken minerálních, skleněných a čedičových, výrobky z lehčených plastů). Dále se používají ocelové děrované desky, korkové desky. Izolační hmoty pro speciální účely: Izolace proti účinkům záření (např. těžké a barytové betony, desky z olova) Izolace proti chem. vlivům (např. kyselinovzdorné obklady, fólie a desky z plastů nebo kaučuků, olověné plechy, sklolamináty) Izolace proti požární (výrobky z nehořlavých anorganických hmot například ze sádry, z minerálních vláken)
Literatura: • • • •
Stavební materiály; M. Dědek; Ministerstvo výstavby a stavebnictví ČSR, Praha 1989 Stavební materiály; J. Adámek, B. Novotný, J. Koukal; VUT Brno; Cerm, s.r.o. Brno Statické a konstrukční tabulky; P. Červenka; SPŠ stavební Josefa Horára Dějiny stavitelství; J. Bukovský; Cerm, s.r.o. Brno; VUT Brno
1. Látky poznávat a rozlišovat
Pomůcky: vzorky materiálů
Postup: Vzorky látek položíme vedle sebe na stůl. Pomocí prstů zkoumáme vlastnosti povrchu. Po pohmatání a pozorování rozdělíme vzorky na dvě skupiny – kovy a nekovy. V těchto skupinách testujeme barvu vzorků, pevnost, rozdíly v hmotnosti zdánlivě stejných vzorků. Otázky: 1. Jaké rozdíly existují v povrchu jednotlivých látek? (Povrchy jsou hladké, drsné, tvrdé, měkké) 2. Které vzorky patří mezi kovy? (měď Cu, železo Fe, nikl Ni, hliník Al) 3. Které vzorky látek patří mezi nekovy? (grafit, látka, umělá hmota, lepenka, guma, sklo, dřevo, keramika, pěnová guma) 4. Které rozdíly najdeme mezi sklem, keramikou, umělou hmotou? (Sklo je průhledné, keramika a plast je neprůhledný, plast je ohebný, keramika a sklo nikoli. Plast a
keramika mají hladký povrch, keramika hladkou a drsnou stranu. Sklo a hladká strana keramiky jsou na dotek studené.) 5. Které materiály jsou těžké a které lehké? (Guma, dřevo, nikl, železo, měď, sklo a keramika jsou těžké (hmotnost přes 5 g). Látka, lepenka, plast, pěnovka, hliník, grafit jsou lehké (hmotnost pod 5 g).) 6. Které materiály jsou na dotek teplé a které studené? (Látka, lepenka, plast, pěnovka, guma, dřevo, rub keramiky jsou na dotek teplé. Grafit, hliník, nikl, železo, sklo, hladká strana keramiky jsou na dotek studené.)
2. Tvrdost a tvárnost materiálů Pomůcky: sada vzorků, jehla
Postup: Vzorky položíme vedle sebe na stůl. Lehce vedeme zkušební jehlu přes povrch jednotlivých vzorků. Pozorujeme, jestli jehla zanechává stopu a jak tyto stopy vypadají.Potom uchopíme vzorky jednou rukou pevně na konci. Lehkým tlakem zkoumáme, jestli se prohnou a zda mají elastické vlastnosti. Otázky: 1. Které materiály mají velmi tvrdý povrch? (Hladká strana keramiky, sklo, železo, nikl, měď, hliník a plast mají tvrdý povrch.) 2. Které materiály mají tvrdý povrch, ale jehla na nich zanechá stopu. (Železo, nikl, hliník, plast mají tvrdý povrch, ale lze do nich udělat škrábanec.) 3. Které materiály jsou měkčí? (Látka, pěnovka, guma, dřevo, lepenka, grafit.) 4. Které materiály se po prohnutí vrátí zpět do původní polohy? (Plast, guma, pěnovka.) 5. Které materiály se po prohnutí nevracejí do původní polohy? (Látka, lepenka, železo, nikl, měď, hliník.)
3. Hustota látek Pomůcky: sada kovových válečků, kolejnice, stativ, svorky, siloměr, odměrný válec, kovová tyč, nit, voda
Postup: Sestavíme stojan. Siloměr zavěsíme na upevněnou tyč. Válečky zavěšujeme pomocí nitě, kterou protáhneme otvorem. Délka závěsu je asi 10 cm. Váleček z olova (Pb) nepoužíváme. Stanovíme hmotnost ostatních válečků a zapíšeme. Hmotnost stanovíme pomocí měření tíhové síly, 1 N = 1 g. Materiál Tíhová síla (N) Hmotnost (g) Hliník Železo Měď Mosaz Zinek V dalším kroku zavěsíme váleček a pod něj postavíme odměrný válec do poloviny naplněný vodou. Výšku hladiny ve válci odměříme a zapíšeme. Nyní závěs povolíme a posuneme tak, aby se váleček zcela ponořil do vody. Pozorujeme změnu výšky vodní hladiny v odměrném válci. Vypočteme rozdíl výšek obou hladin. Na základě vytlačeného objemu vody určíme objem válečku 1 ml = 1 cm3. Pokus provedeme postupně se všemi válečky.
Materiál Hladina 1(ml) Hladina 2 (ml) Rozdíl (ml) Objem (cm3) Hliník Železo Měď
Mosaz Zinek Určíme pro každý váleček vztah mezi hmotností a objemem Materiál Hmotnost (g) Objem (cm3) Vztah hmotnost:objem (g/cm3) Hliník Železo Měď Mosaz Zinek Otázky: 1. Které rozdíly mezi jednotlivými válečky vidíme po jejich zavěšení na siloměr? (Siloměr ukazuje různé tíhové síly.) 2. Vytlačují různé válečky rozdílné množství vody? (Ne, všechny válečky vytlačují stejné množství kapaliny.) 3. V čem se jednotlivé válečky chovají odlišně? V čem se chovají stejně? (Vyvolávají rozdílné silové působení, ale vytlačují stejné množství kapaliny. Odtud lze odvodit, že mají různou hmotnost, ale stejný objem.) 4. Jak označujeme vztah mezi hmotností a objemem? (hustota) 5. Jak lze zjistit, zda má těleso o stejném objemu větší hustotu než jiné těleso? (Má-li těleso při stejném objemu větší hmotnost a tím i větší tíhovou sílu, potom má také větší hustotu než druhé těleso.) 6. Proč označujeme hustotu jako výjimečnou vlastnost tělesa (látková konstanta)? (Hustota závisí na: jakou hmotnost mají částice, ze kterých se skládá těleso, kolik těchto částic se nachází v určitém objemu. Obojí závisí na látce, ze které je těleso. Proto lze na základě hustoty určit také látku, ze které je těleso vytvořeno.) 4. Nadlehčování látek v kapalinách Pomůcky: sada válečků, stojan, svorky, siloměr, odměrný válec, kovová tyč, nit, voda
Postup: Připravíme stojan, na tyč zavěsíme siloměr. Nastavíme na něm 0. potom na něj zavěsíme váleček ze železa. Odečteme a zapíšeme výchylku na siloměru. Odměrný válec naplníme do poloviny vodou, potom do něj zcela ponoříme váleček. Potom zapíšeme novou výchylku siloměru. Otázky. 1. Která fyzikální veličina je určena pomocí protažení pružiny siloměru? (Protažení pružiny ukazuje tíhovou sílu tělesa.) 2. Má ponoření válečku do vody vliv na výchylku siloměru? (Ano, protažení pružiny se zmenší.) 3. Mění se skutečně tíhová síla tělesa? (NE, skutečná hmotnost tělesa se nemění.) 4. Čím je ovlivněna pozorovaná změna? (Ponořením tělesa se vytlačí část kapaliny. Tím vzniká síla orientovaná směrem vzhůru, která působí proti tíhové síle.) 5. Jak označuje příčinu této změny? (vztlak) 6. Na čem závisí zdánlivá změna tíhové síly? (Závisí na velikosti vztlaku. Vztlak je tím větší, čím více kapaliny je tělesem vytlačeno.) 5. Teplotní vodivost pevných látek Pomůcky: kahan, hliníková trubice, skleněná trubice, podložka
Postup: Zapálíme kahan. Obě trubice uchopíme do rukou a druhý konec držíme nad kahanem. Dbáme na to, aby otvor trubice nebyl přímo v plameni a druhý otvor (v ruce) zůstal volný. Sledujeme, zda se tyče prohřejí až k rukám a jestli existují mezi nimi rozdíly. Pociťujeme-li příliš velké teplo, tyče oddálíme od plamene. Otázky: 1. Lze cítit po několika minutách teplo u obou tyčí? (Ano, po několika minutách je cítit na obou koncích teplo.) 2. Jsou patrné rozdíly v teplotě u tyčí? (Ano.) 3. Který materiál přenáší teplo lépe? (Hliník přenáší teplo lépe než sklo.) 4. Jak označujeme přenos tepla v pevných látkách? (Vedení tepla.) 5. Jaké praktické využití má znalost tepelné vodivosti různých látek? (Je-li známa tepelná vodivost látky lze rozhodnou, zda je vhodná pro přenášení teplo nebo pro zamezení vedení tepla.) 6. K čemu se používají látky, které dobře vedou teplo? (K převedení co nejvíce tepla z jednoho místa na druhé – sporák, pánev.) 7. K čemu používáme látky, které mají malou tepelnou vodivost? (K tomu, aby vedly málo tepla z jednoho místa na jiné, např. od pánve k jejímu držáku.)
6. Tepelná vodivost kapalin Pomůcky: kahan, zkumavka, podložka, voda
Postup: Kahan zapálíme. Zkumavku naplníme do ¾ vodou. Uchopíme ji na spodním konci, horní držíme nad plamenem. Otvor zkumavky míří od osoby pryč. Lze pozorovat, že zkumavku držíme v ruce, i když horní vrstva vody dosáhla bodu varu. Otázky: 1. Lze ohřátí vody v horní části zkumavky cítit i ve spodní části? (Ne.) 2. Které závěry o teplotní vodivosti vody lze učinit na základě tohoto pokusu? (Voda má jen malou tepelnou vodivost.) 3. Jaké praktické využití mají poznatky o tepelné vodivosti kapalin? (Je-li známa vodivost kapalin, lze rozhodnou, zda lze látku použít pro vedení tepla nebo pro izolaci.)
7. Odolnost látek vůči teplotě, zapálení látek Pomůcky: sada materiálů, stojan, odpařovací miska, kahan, kroužek, podložka
Postup: Do stojanu uchytíme kroužek na který postavíme misku. Dno misky se nachází asi 10 cm nad plamenem kahanu. Na misku klademe postupně vzorky materiálů a pozorujeme jejich chování po zapálení kahanu. Jednotlivý experiment ukončíme po 5 minutách. Otázky: 1. Jaký vliv má zahřátí materiálů na jejich stav? (U některých materiálů nemá zahřátí vliv.Jiné materiály tají, mění barvu, zuhelnatí, zapálí se.) 2. Které materiály jsou teplotně odolné? (kancelářské sponky, déle vydrží dřevo, motouz) 3. Které materiály jsou hořlavé? (látka, papír, lepenka) 4. Jaké praktické využití mají znalosti o teplotní odolnosti látek? (Lze rozhodnou, zda látku můžeme použít v prostředí o vysoké teplotě.) 5. Jaké praktické využití mají znalosti o hořlavosti látek? (Lze rozhodnou, zda lze využít snadné zápalnosti látek, či jaká je nutné ochrana proti zapálení.)
8. Magnetické chování látek Pomůcky: sada materiálu, tyčový magnet
Postup: Vzorky rozmístíme na stole. Tyčový magnet svým zeleným koncem přibližujeme shora k jednotlivým vzorkům potom magnet otočíme a postup opakujeme. Otázky: 1. Jak se chovají látky vzhledem k magnetu? (Pásek ze železa je přitahován magnetem, všechny ostatní látky nereagují.) 2. Existuje rozdíl v chování vůči červenému nebo zelenému pólu? (Ne, železný pásek je červeným pólem magnetu přitahován stejně jako zeleným.) 3. Jak označujeme látky, na které působí magnet silou? (magnetické látky, správněji feromagnetické)
9. Rozpustnost látek Pomůcky: sůl, cukr, nádoba, PVC tyčinka, lžička, voda
Postup: Nádobu naplníme studenou vodou. Do vody nasypeme buď cukr nebo sůl. Pozorujeme chování krystalků cukru či soli. Přidáním další lžičky soli či cukru sledujeme, kolik cukru či soli se vodě rozpustí. Pokus zopakujeme se stejným množstvím teplé vody. Zjišťujeme, zde se rozpustí více lžiček soli či cukru než ve studené vodě. Pozorujeme, co se děje po ochlazení teplé vody. Otázky: 1. Jak se chovají krystalky cukru (soli) po nasypání do vody a po zamíchání? (Hodně se jich rozpustí hned po nasypání, po zamíchání se rozpouštějí i ty, které dopadly na dno nádoby.) 2. Jak označujeme vzniklou kapalinu? (roztok) 3. Může teplá voda pojmout více cukru či soli? (Ano.) 4. Proč pojme teplá voda více cukru či soli? (Při vyšší teplotě drží částice, které tvoří krystaly, méně pevně pohromadě.) 5. Jak se projevuje ochlazování teplé vody s velkým obsahem cukru či soli? (Roztok ztrácí svou tekutost a přechází do sirupovitého stavu.) 6. Co rozumíme pojmem nasycený roztok, nenasycený roztok, přesycený roztok? (Při nasyceném roztoku nemůže kapalina přijímat další látku, další přidaná látka se již nerozpustí. Nenasycený roztok – kapaliny může přijmout další látku, která se rozpustí. Přesycený roztok obsahuje více rozpuštěné látky, než může normálně pojmout. Tohoto stavu lze dosáhnout, když byl při vysoké teplotě vytvořen nasycený roztok, který byl následně ochlazen.) Aplikace fyziky při studiu transportu vlhka stavebních materiálů Změny klimatu vedou častěji k různým živelným katastrofám, a tak řada obyvatel naší země musela v nedávné době čelit nebývalým záplavám. Bylo zničeno mnoho obytných domů a lidé řešili problém, z čeho stavět. Tepelně izolační vlastnosti materiálů byly studovány v předchozím odstavci, nyní nám fyzika může pomoci hledat odpovědi například na tyto otázky: • • •
Jak rychle nasávají různé stavebniny vodu Jaká omítka ochrání stavbu před vlivy dešťové vody Jak vysoko může voda vzlínat ve zdi
• •
Proč mnoho promáčených domů má trhliny a hrozí zřícením až téměř rok po povodni Čím je způsoben katastrofální stav silnic po letošní zimě…
Jedním ze základních problémů fyziky stavebních materiálů je transport vlhka. Tato otázka má řadu aspektů v návaznosti na zdraví obyvatel (teplé a vlhké prostředí podmiňuje množení mikroorganismů), tepelné izolace (tepelná vodivost roste se vzrůstající vlhkostí – větší energetická náročnost při vytápění), využití místností (vnitřní klima), stálost staveb. Voda ve stavebních materiálech se může vyskytovat ve skupenství pevném (led), kapalném i plynném (vodní páry). Přitom je třeba si uvědomit, že 1 litr vody (asi 1 kg) po vypaření zaujme objem 52 m3 (vyplní místnost o rozměrech 4 m x 5 m x 2,6 m). Molekuly vody jsou silně polární, vykazují velké povrchové napětí, velkou tepelnou kapacitu. Průměr molekul je přitom malý, asi 0,28 mm. Stavební materiály obsahují vlhkost z mnoha zdrojů: - vlastní vlhkost získaná během výroby - vlhkost ze vzduchu - vlhkost získaná během deště - vlhkost z půdy - vlhkost z vnitřních místností (vlhkost obydlí, vodní páry v důsledku přítomnosti a činnosti lidí) Každý materiál může pojmout jen určité množství vlhkosti – hovoříme o nasycenosti vodní parou (tzv. parciální tlak ps), která závisí na teplotě. Závislost tlaku ps na teplotě je vyjádřena Magnusovou křivkou, kterou lze matematicky zapsat ve tvaru
Θ ⎞ ⎛ p s = a⎜ b + ⎟ 100 ⎝ ⎠
n
.
(5) Přitom platí: pro interval teplot –20 oC < Θ< 0 oC je a = 4,689 Pa, b = 1,486 , n = 12,30, pro interval teplot 0 oC < Θ < 30 oC je a = 288,68 Pa, b = 1,098, n = 8,02.. Každý stavební materiál obsahuje dutiny, které označujeme jako póry. Tyto póry mohou být uzavřené – tvoří vzduchové bubliny, nebo mohou být různě pospojované a na povrchu materiálu otevřené. Vzniká tak celá složitá síť kanálů o různé velikosti. Pokud je průměr pórů větší než 0,1 mm, jsou to tzv. makropóry. Pokud je jejich průměr větší než 0,3 mm, pak během deště dokáže silnější vítr zatlačit do těchto pórů vodu. Pro transport vlhka jsou nejdůležitější póry o velikosti 0,1 mm až 0,1 μm. Tyto póry zajišťují kapilární transport vlhka materiálem. Póry o průměru menším než 0,1 μm jsou tzv. gelové póry a uplatňují se při velmi pomalém transportu vody v materiálu. Všechny stavební materiály tak můžeme rozdělit vizuálně na látky s velkými póry a s drobnými póry (když na ně kápneme vodu, buď se vsákne, nebo zůstane na povrchu). Schopnost nasáknout vodou je důležitá např. při práci s maltou, která obsahuje určitý díl vody. Je-li voda nasávána cihlou příliš rychle, znehodnotí to stavbu – drolivost apod. U jemně porézních materiálů je voda do materiálů vtahována vlivem kapilárního tlaku . Se zvětšující se hloubkou průniku se mění viskózní proudový odpor vody, zvětšuje se. Proto také klesá výška h, do které voda v materiálu pronikne. Platí vztah h=a t (6) Veličina označená symbolem av se nazývá koeficient průniku vody. Mírou rychlosti nasávání vody je koeficient av v jednotkách cm / h . Tato materiálová konstanta udává, do jaké výše v cm vystoupí voda kapilárně svisle během první hodiny. Obdobně lze změřit koeficient mv přijetí vody, tj. kolik litrů vody je nasáto 1 m2 plochy během první hodiny měření. Jednotkou koeficientu mv je kg/m 2 . h . v
Zatímco u cihel na obvodové zdivo je třeba dbát na malou nasákavost, u střešních cihel je důležitá vysoká nasákavost (transport vlhkosti z vnitřku domu do volné atmosféry). Vodní páry, které unikají z obytných místností do půdního prostoru, kondenzují zejména v zimě na spodní straně střešní krytiny. Tato voda by měla být cihlou nasáta a poté kapilárami transportována směrem k vnějšímu povrchu. Tam může dojít k jejímu odpaření do volného prostoru. Tvar závislosti pro nasákavost různých materiálů je na obr. 4. Posunutí odpovídá obsahu vody, která zůstává na cihle po vytažení z vody. Bod K - hladina vody dosáhne povrchu cihly. Potom se plní drobné kanály napříč hlavních kapilár vedoucích svisle – oblast 2 křivky. Koeficient nasákavosti vody se stanoví z průběhu první fáze křivky.
Obr. 5. Křivka nasákavosti materiálu Podle hodnoty koeficientu mv lze stavební materiály rozdělit na silně nasákavé (mv > 2,0 kg/m 2 . h ), vodu odpuzující (mv < 0,5 kg/m 2 . h ), izolující (mv < 0,001 kg/m 2 . h ). Praktická realizace experimentálního určení koeficientů av a mv je velice jednoduchá. Vhodný kus stavebního materiálu postavíme do nádoby s vodou tak, aby voda sahala do výšky asi 2 cm. Měříme výšku výstupu vody v materiálu a přírůstek hmotnosti v závislosti na čase. Výšku výstupu vody měříme na různých místech, neboť vlivem nestejnoměrné pórovitosti nevystoupí voda stejně vysoko. Výsledky měření vyneseme do grafu, vypočítáme příslušné koeficienty.
Modelování kapilárního vodního transportu ve stavebninách Teoretický popis kapilárního transportu vody ve stavebninách je obtížný, proto používáme modelových představ a srovnání s výstupem vody v klasické kapiláře. Svislý řez kapilárou s vodním sloupcem je na obr. 5 Fr
R α
r
α
Fg
Obr. 5. Řez kapilárou Přehled tlaků v kapiláře: Hydrostatický tlak ph - závisí jen na výšce h sloupce kapaliny a hustotě ρv vody, nezávisí na geometrii kapiláry: p h = hρ v g (6) Kapilární tlak pk – na rozhraní voda vzduch na horním konci vnikajícího vodního sloupce v kapiláře o poloměru R: 2σ cos α pk = (7) R Tlak pv proudící kapaliny – vzniká na základě viskózního odporu. Každá kapalina vykazuje určitou viskozitu, kterou charakterizuje veličina dynamická viskozita η. Při proudění působí proti pohybu kapaliny i odporová síla FR. Při laminárním proudění je tato síla úměrná délce h kapiláry a rychlosti v proudění. Pro velikost odporové síly platí Hagenův-Poiseuilleův zákon FR = 8πηhν . (8) Protože dh v= , (9) dt
platí pro odporovou sílu vztah dh FR = 8πηh . dt Tlak proudící kapaliny pak vypočítáme ze vztahu pv =
8πη dh h . R 2 dt
(10)
(11)
Označíme 8πη (12) R2 a dostaneme dh pv = Ah , dt což je tlak, který působí proti proudění kapaliny. Existenci dalších tlaků neuvažujeme. Vsakování vody je dáno rovnováhou mezi tlaky pk a pv, tzn. když pk = pv . A=
Vztah řešíme pro počáteční podmínky h = 0 pro t = 0. Máme p k dt = Ahdh a po integraci 2 pk t . h= A Po dosazení výrazu pro výpočet kapilárního tlaku máme Rσt cos α h= 2πη
(13)
(14) (15)
(16)
a pro mezní případ maximální výšky výstupu je 2σ cos α (17) ρ v Rg Předpokládáme-li, že kapalina smáčí stěny kapiláry (α = 0), povrchové napětí vody σ = 0,0727 N ⋅ m -1 , dostaneme závislost výšky h výstupu pouze na poloměru kapiláry ve tvaru hmax =
hmax =
14,8mm 2 R
.
(18)
Vztah lze odvodit i na základě rovnováhy mezi tíhovou silou FG, která působí na sloupec stoupající vody, a výslednicí FR kapilárních sil působících na vnitřním obvodu kruhové modelové kapiláry: FG = FR (19)
2σ (20) ρ v Rg Po dosazení známých číselných hodnot pro hustotu vody ρv = 1000 kg.m-3, σ = 0,0727 N.m a 14,8mm 2 2 g = 9,81 m/s , získáme opět vztah pro maximální výšku výstupu hmax = . R Známe-li tedy výšku výstupu vody, lze odhadnout poloměr kapilár (pórovitost) stavebního materiálu. hmaxπR 2 ρ v g = 2πRσ ⇒ hmax =
Studujte vedení vlhkosti různými materiály (cihla Ytong, dřevo): a) Určete koeficient nasákavosti materiálu. b) určete koeficient mv. Měření proveďte pro oba druhy materiálu, výsledky porovnejte. Ytong jako zkoumaný materiál patří v současné době k nejpoužívanějším „ekologických“ stavebninám. Skládá se z písku, vody, vápna, cementu, hliníkového prášku. Při výrobě 1 m3 Ytongu objemové hmotnosti 0,4 se spotřebuje jen 300 kWh energie. Všechny zbytky lze recyklovat na granulát. Základní parametry Ytongu jsou tyto: koeficient prostupu tepla k = 0,54 W.m-2.K-1, koeficient tepelné vodivosti λ = 0,16 W.m-1.K-1, tepelný odpor R = 1,87 m2.K.W-1. Ytong je nehořlavý.
V technické praxi se používá celá řada jiných metod nedestruktivního zkoumání vlastností stavebních materiálů. Jsou to radiografické metody (použití roentgenova záření, γ-záření), akustické metody (použití ultrazvuku, transmisní rezonanční metody), optické metody atd. Je třeba zkoumat nejen mechanické a chemické vlastnosti (tvrdost, pevnost, složení), ale také tepelnou vodivost, elektrickou vodivost, lom světla, opracovatelnost stavebnin. Zkoumání těchto vlastností již vyžaduje speciální technické vybavení a pro aplikaci v žákovské laboratoři popř. při domácích pokusech je příliš náročné.
Měření koeficientu k různých materiálů Měření koeficientu k různých materiálů v našem návrhu experimentální úlohy do fyzikálního praktika by představovalo závěrečný stupeň vícehodinové vyučovací sekvence týkající se základních energetických úvah spojených se získáváním znalostí o využívání energetických zdrojů a ochrany životního prostředí.. Úvodní hodina tématického celku by měla být věnována zopakování základních pojmů a veličin, které budou dále používány - radiace, kondukce, konvekce, kondenzace, infiltrace, izolace, tepelná rezistence. Již na základní škole lze v této souvislosti provádět řadu jednoduchých pokusů, a to doma i ve škole (např. sledování ochlazování vody v nádobách obalených různým materiálem - písek, vata, alobal, polystyrén apod., měřit teplotu povrchu různých předmětů ve třídě - dotýkat se stěn, okna, lavice atd). V dalším může učitel navázat na domácí práci žáků, kdy si žáci vypracují soupis všech spotřebičů, které doma používají a diskutovat energetickou náročnost každé domácnosti. Zde je třeba upozornit na jednu důležitou okolnost. Hovoříme-li o spotřebě energie v domácnosti, máme obvykle na mysli nárůst počtu nejrůznějších domácích spotřebičů a jejich spotřebu. Skutečná situace je poněkud odlišná. Ukazuje se, že hlavní podíl energetické
spotřeby tvoří topení - výroba teplé vody, provoz auta a teprve potom další domácí spotřebiče. Ze 100 energetických jednotek spotřebuje
auto 33 topení 67 světlo 1 chlazení, mražení, praní 4 vaření 2 ohřev teplé vody 9
Ukazuje se tedy, že v oblasti vytápění lze hledat cesty k maximálnímu šetření energií. Vzhledem k tomu, že nejvíce času trávíme v různých budovách (škola, zaměstnání, doma), můžeme se žáky diskutovat problémy dobré izolace staveb a tepelných vlastností různých materiálů. Touto cestou se žáci mohou stát inspektory staveb ve svém okolí a seznámit se s veličinami, které se používají k charakteristice tepelných vlastností různých materiálů nejen ve fyzice, ale také ve stavebnictví. Každou látku, resp. materiál lze charakterizovat z hlediska tepelných (izolačních) vlastností jejich tepelnou vodivostí, tepelnou kapacitou a schopností tepelné izolace. Zavadíme tzv. koeficient tepelné vodivosti λ a koeficient tepelné propustnosti k. Hodnoty koeficientu λ jsou tabelovány - pro běžné materiály viz. tabulka 1. Tabulka 1. Materiál Materiál λ (W/m.K) λ(W/m.K) stříbro 418 cihly 0,28-1,2 hliník 229 sklo 0,6 - 1,0 železo 73 asfalt 0,7 olovo 34,7 dřevo 0,15 led 2,2 skelná vata 0,03 - 0,05 beton 1,5 polystyrén 0,035 - 0,041 K zavedení veličiny k. Při zavádění veličiny k vycházíme ze vztahu pro výpočet toku tepla P stěnou , který zapisujeme ve tvaru P = k.S.(tvu - tvv), kde S je plocha stěny, tvu je teplota vzduchu uvnitř prostoru, tvv je teplota vzduchu vně prostoru a konstanta úměrnosti je tzv, koeficient k.
λ
S (tsu - tsv), kde λ je koeficient tepelné vodivosti, d d je tloušťka stěny, S je plocha stěny, tsu je teplota stěny uvnitř, tsv je teplota stěny vně prostoru. Odtud k = P/(S(tvu -tvv)) Hodnota koeficientu k je pro různé materiály a typy stěn dána ve stavitelství normativními předpisy, Daná hodnota koeficientu je vztažena k určité tloušťce materiálu. Některé příklady jsou uvedeny v tab. 2.
Uvedený vztah lze přepsat ve tvaru P =
Tabulka 2: část stavby vnější zeď okna střecha
koeficient k (W.m-2.K-1 ) 1,56 5,2 0,8
stropy sklepů 1,02 Pro žáky bude jistě zajímavé si ukázat izolační vlastnosti materiálů i jinak: např. 1,7 cm izolace z celulózy má stejný účinek jako 91 cm silná betonová zeď. Izolační vlatnosti materiálů: Materiál
Tloušťka v mm
celuóza korek dřevo tvárnice vepřovice plná cihla sklo beton
17 22 57 170 252 296 304 913
1000 900 800 700 600 500 400 300 200
beton
sklo
vepřovice
tvárnice
dřevo
korek
celuóza
0
plná cihla
100
Z grafu je názorně vidět, jak špatným izolátorem je beton. Pro naši experimentální úlohu se stala základem myšlenka, že každý dům (stavbu) lze simulovat (pro jednoduchost čtvercovou) krabicí - boxem. Pro konstrukci boxu byl pro své dobré izolační vlastnosti zvolen polystyrén. Zevnitř je box vyhříván pomocí žárovky.
Při praktické realizaci byly rozměry boxu zvoleny vzhledem ke komerčně dodávaným polystyrénovým deskám a s ohledem na co nejmenší odpad při řezání. Rozměry jsou 400x400x400 mm, tloušťka stěn 20 mm, tloušťka dna a víka 50 mm. Horní deska je vyměnitelná, velikost výměnného okna je 360x360 mm. Uvnitř boxu je umístěna 40 wattová žárovka. Box je vyhříván po dobu asi 4O minut, až je dosaženo teplotního rozdílu uvnitř a vně boxu přibližně 25 0C (lze tak simulovat chladný den, kdy venkovní teplota je -2 0C a uvnitř místnosti je 23 0C. Vrchní stěna boxu může být postupně nahrazována deskami z jiných materiálů (dřevo, sklo, papír apod.) Úkolem je měřit teplotu vzduchu uvnitř boxu, teplotu vnitřní stěny, teplotu vnější stěny a teplotu vně boxu (teplota místnosti, během měření zůstává konstantní).
Ukázkové výsledky měření: a) Měření polystyrénu: d = 0,05 m λ = 0,15 W.K-1 .m-1 S = O,1296 m2 tv = 24,6 0 C čas (min) t(u) t(su) 0 23,7 24,0 5 51,8 48,0 10 61,8 56,0 Po dosazení hodnot do naměřených vztahů : Tok tepla vztažený na plochu koeficient k..... b) Měření dřevěné desky: d = 0,016 m λ = 0,15 W.K-1 m-1 S = 0,1296 m2 tv = 24,7 0 C
t(sv) 23,5 24,4 25,7 0,035 0,1296 (56 - 25,7) = 2,75 W 0,05 P/S = 21,22 W.m-2 2,75 k= = 0,57 W.K-1 . m-2 0,1296( 61,8 − 24,6) P=
čas (min) 0 5 10 15 20 25 30 35 P=
t(u)
t(su)
t(sv)
24,5 38,6 42,7 44,8 46,4 47,6 48,3 48,8
25,0 35,0 39,0 41,0 43,0 44,0 45,0 46,0
23,7 24,0 25,3 26,8 28,5 29,0 29,7 30,0
0,15 0,1296 (46-30) = 19,44 W 0,016
P/S = 150 W.m-2 k =
19,44 = 6,22 W.K-1.m-2 0,1296( 48,8 − 24,7)
c)Měření skleněné desky
d = 0,005 m λ = 0,81 W.K-1 .m-1 S = 0,1296 m2 tv = 24,8 0 C
Vypočítané hodnoty: P=
0,81 0,1296 (38 - 31,1) = 144,87 W 0,005
P/S = 1117,82 W.m-2
k=
144,87 = 83,41 W.K-1 .m-2 0,1296( 38,2 − 24,8)
Jak je vidět z uvedených výsledků, box se nejrychleji vyhřál v případě polystyrénového okna, kdy nebylo nutné dodržet ani požadovanou délku vytápění. Nejhůře se box vyhříval se skleněným oknem, kdy nebylo dosaženo požadovaného rozdílu teplot. Experiment lze upravit následujícím způsobem. Aby nabylo nutné měřit teploty stěn, zapojíme žárovku tak, aby její výkon (měřený wattmetrem) byl regulovatelný. Tím lze předem stanovit teplotu, které má být uvnitř boxu dosaženo (pro všechny materiály stejnou) a regulovat výkon žárovky tak, aby bylo dosaženo stacionárního stavu ( teplota uvnitř boxu se nemění po dobu 5ti minut). Potom stačí započítat teploty uvnitř boxu a vně a údaj wattmetru. Při výpočtech je třeba mít na zřeteli, že 1/6 energie proniká vyměnitelným oknem, zbývajících 5/6 ostatními stěnami boxu. Krabici je
třeba umístit na podložky, aby byl umožněn stejný odvod tepla i dnem boxu. Pro naše měření jsou dané výsledky následující: Polystyrén : všech 6 stěn je ze stejného materiálu. P Celkový tok energie 3,33 W, tok jednou stěnou 0,56 W, odtud k = = 0,79 W.K-1 m-2 , S .Δt kde S je plocha stěny, Δt je rozdíl teplot vzduchu uvnitř a vně boxu. Byl zanedbán rozdíl v tloušťce stěn a dna a víka boxu. Dřevo: Pro dřevo byl celkový výkon 23,3 W, 5/6 stěn z polystyrénu - tok 2,8 W, zbývá 20,5 W pro stěnu ze dřeva. Tomu odpovídá hodnota k = 6,56 W.K-1.m-2 . Obdobně pro sklo k = 11,8 W.K-1.m-2 . Je vidět, že ze studovaných materiálů má sklo nejhorší izolační vlastnosti. Přiložené grafy zobrazují časový průběh nárůstu teploty uvnitř boxu a vnitřní a vnější stěny. Experiment lze doplnit dalšími měřeními, lze např. pomocí fénu simulovat větrný den, pootevření okna - větrání apod. Na tomto modelu lze ukázat, jaký vliv pro stavbu a její tepelnou izolaci má správné umístění oken, dveří, natočení celé stavby , výsadba stromů (větrolamy) atd.
Dřevěná deska: Tabulka naměřených hodnot: čas (min)
t(u)
0 5 10 15 20 25 30 35
t(su) 24,5 38,6 42,7 44,8 46,4 47,6 48,3 48,8
t(sv) 25 35 39 41 43 44 45 46
23,7 24 25,3 26,8 28,5 29 29,7 30
50 45 40 35 30
t(u)
25
t(su)
20
t(sv)
15 10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
Skleněná deska: Tabulka naměřených hodnot: čas(min) t(u)
t(su)
0 5 10 15 20 25 30 35
24,4 31,7 34,3 35,7 36,6 37,3 37,8 38,2
t(sv) 24 29 34 35 36 37 38 38
24,2 25,2 26,9 28,4 29,4 30,2 30,7 31,1
40 35 30 25
t(u) t(su)
20
t(sv) 15 10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
ENERGIE ZE SLUNÍČKA Slunce hřeje a svítí, protože v jeho nitru probíhají mohutné termonukleární reakce, při nichž se jádra vodíku slučují a vzniká hélium. I když na povrch Země dopadá jenom nepatrný zlomek z celkové energie uvolňované při těchto reakcích, využíváme tuto energii stále víc. Základní potřeby: • • • •
krabice, prkénka, překližka, průhledná fólie ohebná plastová trubička solární článek, vodiče voltmetr
1. Model slunečního kolektoru: Nejčastěji se sluneční energie využívá k ohřívání vodyve slunečních kolektorech. Jsou to v podstatě dobře tepelně izolované skříně, jejichž vnitřek je natřen černou barvou, která nejlépe pohlcuje energii slunečního záření. Vzniklé teplo přijímá voda v trubicích a zahřívá se. Náš model slunečního kolektoru zabudujeme do libovolné nízké krabice o rozměrech aspoň 35 x 25 x 5 cm, na protějších stranách uděláme otvory pro vývody trubice.Na dno položíme přesně
přiříznutou izolační polystyrenovou desku tloušťky 2 cm a do bočních stěn přibijeme dvě řady skobek pro zachycení trubicového hada.
ENERGIE POD POKLIČKOU Říká se, že nejlevnější energie je ta, kterou vůbec nespotřebujeme. Proto hledáme možnosti úspor energie - zateplují se budovy, místo žárovek se používají úsporné zářivky, konstruují se automobilové motory s malou spotřebou paliva. Můžeme ušetřit energii i v naší domácnosti? Jednoduché fyzikální měření nás přesvědčí, že rozhodně ano. Základní potřeby: • • • • •
nádoby různých průměrů s poklicemi elektrický vařič ponorný vařič laboratorní teploměr hodinky nebo stopky
Provedení pokusu: Elektrický vařič odebere ze sítě energii E = P.T, kde P je příkon vařiče ve wattech (tento údaj najdeme na výrobním štítku) a T je doba odběru energie v sekundách. Touto energií se zahřívá těleso vařiče, okolní vzduch, nádoba a voda v ní. Užitečná je pouze energie zahřívající vodu a tu vypočítáme ze vztahu Q = m.c.(t2 - t1). V této rovnici je m hmotnost vody, c je její měrná tepelná kapacita, t1 je původní teplota vody a t2 je teplota vody po zahřátí. Účinnost přeměny elektrické energie na teplo závisí na ztrátách a vypočítáme ji ze vztahu N = Q/E. Když tento údaj vynásobíme stem, dostaneme účinnost vyjádřenou v procentech. Zapneme vařič a necháme jej dobře rozehřát. Pak na plotýnku postavíme nádobu s odměřeným množstvím vody (např. 0,5 litru) a za mírného promíchávání počkáme, až začne její teplota růst. Jakmile teplota dosáhne určité počáteční hodnoty t1, stiskneme stopky a odměříme zvolenou dobu T (3 až 6 minut). Zapíšeme výslednou teplotu t2 do tabulky a ze získaných hodnot vypočítáme účinnost N. Pro měření použijeme několik nádob o různém průměru dna, měřit budeme s nádobami bez poklice a s poklicí a pro porovnání uskutečníme podobná měření také s ponorným vařičem nebo varnou konvicí. Pozor: ponorný vařič můžeme připojit do zásuvky pouze ponořený ve vodě!
Příklad výsledků měření: Příkon plotýnkového vařiče: 600 W Průměr plotýnky vařiče: 14 cm
a) zahřívání bez poklice T (s)
E (kJ)
m (kg)
c (J/kg.K)
t1 (°C)
t2 (°C)
Q (kJ) prům.dna (cm)
N (%)
180
108
0,5
4186
30
65,5
73,3
11,5
67,8
180
108
0,5
4186
30
70,5
84,8
13,5
78,5
180
108
0,5
4186
30
68,5
80,6
17,5
74
b) zahřívání s poklicí
T (s)
E (kJ)
m (kg)
c (J/kg.K)
t1 (°C)
t2 (°C)
Q (kJ) prům.dna (cm)
N (%)
240
144
1
4186
25
49,5
102,6
11,5
71,2
240
144
1
4186
25
54
121,4
13,5
84,3
240
144
1
4186
25
52,5
115,1
17,5
74
c) ponorný vařič s příkonem 300 W T (s)
E (kJ)
m (kg)
c (J/kg.K)
t1 (°C)
t2 (°C)
Q (kJ)
N (%)
360
108
1
4186
20
45
104,6
96,9
Z tabulek vidíme, že účinnost využití elektrické energie při vaření dost podstatně závisí na vztahu mezi průměrem plotýnky a použité nádoby, že můžeme účinnost snadno zvýšit také zakrytím nádoby poklicí. Poslední tabulka ukazuje, že nejvýhodnější je vařit vodu ponorným vařičem. Moderní a oblíbené rychlovarné konvice s topným tělesem přímo v nádobě proto uvaří vodu s minimálními ztrátami, rychle a úsporně.
