Теплові властивості деревини

До теплофізичних властивостей деревини відносяться теплоємність, теплопровідність, температуропровідність і теплове розширення. Відомо, що теплоємність матеріалу характеризує його здатність акумулювати тепло. Показником цієї властивості являється питома теплоємність с, що є кількістю теплоти, необхідної для того, щоб нагріти 1 кг маси матеріалу на 1К (або на 1˚С). Питома теплоємність вимірюється в кДж/(кг·˚С).

Процеси розповсюдження (перенесення) тепла в матеріалі характеризуються двома показниками - коефіцієнтом теплопровідності та коефіцієнтом температуропровідності. Перший з них входить як коефіцієнт λ в рівняння стаціонарного теплообміну

, (12)

встановлюючи зв'язок між кількістю теплоти Q, що розповсюджується усередині тіла, і площею поперечного перерізу F, перпендикулярного тепловому потоку, часом τ, перепадом Δt температур на двох ізотермічних поверхнях, а також відстанню між ними Δх. Коефіцієнт теплопровідності λ, чисельно рівний кількості теплоти, що проходить за одиницю часу через стінку з даного матеріалу площею 1м² і завтовшки 1м при різниці температур на протилежних сторонах стінки в 1˚C. Коефіцієнт теплопровідності вимірюється у Вт/(м·˚С). При стаціонарному теплообміні температурне поле в матеріалі залишається постійним (не залежить від часу).

Другий, з вказаних вище показників, характеризує швидкість зміни температури матеріалу при нестаціонарному теплообміні (нагріванні або охолоджуванні). Таким чином, коефіцієнт температуропровідності α визначає інерційність матеріалу, тобто його здатність вирівнювати температуру. Показник α (м²/с), чисельно рівний відношенню коефіцієнта теплопровідності до теплоємності одиниці об'єму матеріалу:

, (13)

де ρ – щільність матеріалу, кг/м³.

Теплоємність деревини. Суха деревина являє собою двофазну систему, що включає деревинну речовину і повітря. Проте частка повітря (по масі) в деревині вкрай мала, і теплоємність сухої деревини практично рівна теплоємності деревинної речовини. Оскільки склад деревинної речовини у всіх порід однаковий, то питома теплоємність деревини не залежить від породи і при 0˚С для абсолютно сухої деревини рівна 1,55 кДж/(кг·˚С).

Теплопровідність деревини. На здатність деревини проводити тепло впливає багато чинників. Один з основних чинників - щільність деревини. Залежність між коефіцієнтом теплопровідності деревини впоперек волокон λ₁ та її щільністю в абсолютно сухому стані ρ_o показана на рис. 17.

Рис. 17. Залежність теплопровідності деревини впоперек волокон від

щільності в абсолютно сухому стані

На графіку нанесені дані для деревини хвойних і листяних порід. Нижня ділянка кривої відсікає на осі ординат відрізок, що дорівнює величині теплопровідності повітря - 0,0253 Вт/(м·˚С); верхня ділянка кривої, продовжена до щільності ρ_o =1530 кг/м^з, дає можливість орієнтовно оцінити теплопровідність деревинної речовини λ_д.р. Цей показник рівний приблизно 0,5 Вт/(м·˚С).

Температуропровідність деревини. Величина коефіцієнта температуропровідності α визначається за формулою (13), якщо відомі значення двох інших теплових коефіцієнтів λ і с. Для абсолютно сухої деревини коефіцієнт температуропровідности, так само як і коефіцієнт теплопровідності (див. рис. 17), залежить від ρ_o. Проте зі зменшенням щільності ρ_o коефіцієнт температуропровідності зростає.

Теплове розширення деревини. При нагріванні твердих матеріалів, у тому числі й деревини, відбувається збільшення їх об'єму. Коефіцієнт лінійного теплового розширення α' є зміною одиниці довжини тіла при нагріванні його на 1˚С. Внаслідок анізотропії деревини коефіцієнти α' по трьох структурних напрямках різні. Найменший коефіцієнт лінійного розширення α'₁₁ у напрямку вздовж волокон; величина його для сухої деревини коливається в межах (2,5-5,4)10^-6 1/˚С. Теплове розширення впоперек волокон значно більше, ніж вздовж волокон, причому в тангенціальному напрямку воно в 1,5-1,8 рази вище, ніж в радіальному.