林业百科

木材热学性质

2023-04-16

简介

木材在热的作用下所反映的各种性质。主要指标有比热、导热系数、导温系数和热膨胀率等,是木材工业上热处理,如制材中结冰原木的解冻、单板用木段的蒸煮、木材防腐处理、木材干燥等的重要工艺参数。同时由于木材是热的不良导体,又是建筑上和冷藏设备上隔热、保温设计的必要参数。

木材比热 单位质量的木材温度升高1℃所需热量或称为热容量(千卡/千克·℃),与同单位质量的水升高1℃所需热量之比。木材干燥、防腐、蒸煮等计算加热木材所需的热量时,必须要有在各种条件下木材比热的数据。绝干木材的比热基本上不受树种和密度的影响,平均约为0.327千卡/千克·℃。气干材平均为0.41千卡/千克·℃。木材比热随其含水率的增加而增大。

木材导热系数 木材单位厚度两面的温度差保持1℃的单位时间内,通过单位面积所需的热量。又称热导率(千卡/米·小时·℃)。木材导热系数很小,是热的不良导体,所以木材广泛用作隔热、保温材料。木材的导热系数受热流相对于木材纹理方向、密度、含水率和温度的影响。顺纹方向导热系数远较横纹方向的大,例如前者与后者比,红松为2.5,糠椴为3.1,柞木为2.7。弦向与径向的导热系数,随早、晚材密度的差异程度和晚材率的高低以及木射线容积比的多少也具有一定的差异。木材是由木材物质、水分和空气组成的。木材物质的导热系数为0.25~0.34,水分为0.5,空气为0.021千卡/米·小时·℃。在干材中,热流通过木材物质和充满空气的孔隙两部分,而空气的导热系数比木材物质小得多,因此,木材的导热系数随着木材密度的增大而增高。水的导热系数远远高于空气,因此,随含水率的增加,木材的导热系数亦增大。温度在零度以上时木材导热系数随温度升高而增大。温度在零度以下时,未冰冻的木材导热系数仍随温度的升高而增大,而冰冻的木材导热系数则随温度的升高而减小,因为冰的导热系数随温度升高而减小;由于冰的导热系数比水的导热系数大,所以在同样含水率情况下,冰冻木材的导热系数比未冰冻的木材要大一些。

木材导温系数 表征木材在加热或冷却时木材各部分温度趋向一致的速率,或木材吸热或放热的速度。又称热扩散率(平方米/小时)。物体的导温系数愈大,在同样外部加热或冷却条件下,物体内部温度差异就愈小,达到温度均匀时间就愈短。木材在进行干燥、浸注、蒸煮及热压等处理时,由于需要计算木材加热到所要求的温度所需要的时间,因此必须了解木材的导温系数。木材的导温系数与其导热系数、比热和密度之间存在如下的关系:

式中 a为导温系数(平方米/小时);λ为导热系数(千卡/米·小时·℃);c为比热(千卡/千克·℃);ρ为密度(克/立方厘米)。公式表明木材导温系数与其导热系数成正比,与其比热和密度成反比,因此也受到热流方向、密度、含水率和温度的影响。热流方向对导温系数的影响与对导热系数的影响相同。顺纹方向导温系数远大于横纹;大多数树种的径向导温系数高于弦向的导温系数,平均约高13%,但也有小于弦向的例如杉木、鸡毛松、落叶松、南方泡桐、母生和麻栎等。木材密度对导温系数的影响不同于对导热系数,密度增大既引起导热系数的增大,也引起比热的增大,但对前者的影响小于后者。木材横纹导温系数随着密度的增大而略有减少。导温系数在各树种之间的差异不如导热系数那样显著。中国木材在气干时和室温状态下,弦向导温系数为0.000423~0.000631平方米/小时,平均约为0.0005平方米/小时。在正温度条件下,导温系数随木材含水率的增加而减小,随温度的升高而增大;在负温度条件下,未冰冻木材导温系数仍随含水率的增加而减小,随温度升高而增大,而冰冻材的导温系数则随含水率的增加而增大,随温度的升高而减小。

木材热膨胀系数 单位长度的木材当温度每增高1℃时的长度增量。即

式中 a为热膨胀系数(℃-1); L为木材原长(厘米);Δt为升高的温度(℃); ΔL为温度升高Δt所发生的增长量(厘米)。固体热(线)膨胀系数很小,例如室温时铝为25×10-6/℃,铁为12×10-6/℃,玻璃为10×10-6/℃,混凝土为12×10-6/℃。木材是各向异性体,不同纹理方向上热(线)膨胀系数不同。顺纹方向热膨胀系数小于其他材料;横纹方向约较顺纹方向大10倍,亦大于其他材料。

顺纹理的热膨胀系数与木材密度关系不明显,但横纹理的热膨胀系数有随木材密度的增加而增大的趋势。木材横纹方向的热膨胀系数虽大于其他材料,但因木材常含有水分,当温度升高时,水分蒸发,木材遂发生干缩,此干缩值远较热膨胀值为大,因此木材热膨胀现象在多种应用下可以忽略不计,但与其他含水率不变的材料组合时,则必须考虑木材热膨胀系数。

英文

thermal properties ofwood