مقدمة
تتوفر مواد العزل التقليدية، مثل البولي بروبيلين الموسع والصوف الصخري، عادةً في شكل ألواح. ومع ذلك، تُستخدم أيضًا على نطاق واسع مواد العزل التي تُنفخ أو تُملأ بشكل سائب للأرضيات والأسقف.
ومن الأمثلة على ذلك مادة العزل والتسوية المصنوعة من قشور القنب المبتلة بالبيتومين. وبالإضافة إلى المزايا الميكانيكية ومزايا المعالجة، تلعب الخصائص الفيزيائية الحرارية للمادة أيضًا دورًا حاسمًا في أدائها. فالموصلية الحرارية تحدد مدى فعالية انتقال الحرارة عبر العازل أو احتجازه، وهو أمر مهم لكفاءة الطاقة وراحة المعيشة. علاوة على ذلك، تشير السعة الحرارية النوعية إلى كمية الحرارة التي يمكن للمادة تخزينها وإطلاقها بمرور الوقت. ولذلك، فإن الفهم الدقيق لهذه الخصائص ضروري لتصميم هيكل الأرضية على النحو الأمثل وتلبية متطلبات فيزياء البناء بشكل موثوق.
الطريقة
تواجه العديد من أنظمة القياس صعوبة في تحديد الخصائص الفيزيائية الحرارية للمواد السائبة، مثل الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية. ويتمثل أحد التحديات في شكل المادة، بينما يتمثل التحدي الآخر في درجة عدم تجانسها العالية نسبيًا.
يمكن تحديد الموصلية الحرارية لمواد العزل بسرعة ودقة باستخدام طريقة HFM (مقياس تدفق الحرارة). في هذه الطريقة، تُوضع عينة، عادةً ما تكون صلبة، بين لوحين ساخنين وباردين، يتم الحفاظ على كل منهما عند درجة حرارة محددة. ويتم قياس تدفق الحرارة الناتج باستخدام مستشعرات تدفق الحرارة. وبالاستناد إلى سماكة العينة وعوامل المعايرة المحددة مسبقًا، يتم تحديد الموصلية الحرارية للعينة عند نقاط درجة حرارة مختلفة. ويوضح الشكل 1 منحنى درجة الحرارة النموذجي، بما في ذلك الموصلية الحرارية.
وعلى غرار مواد العزل على شكل ألواح، تُقاس مواد العزل السائبة والسائبة الحجم داخل إطار ذي قاعدة رقيقة. وتكون القاعدة رقيقة لدرجة أن مقاومتها الحرارية يمكن اعتبارها مهملة. ويقع الإطار خارج منطقة القياس بحيث لا يؤثر على القياس.
تُستخدم طريقة DSC (المسح الحراري التفاضلي) بشكل شائع لتحديد السعة الحرارية النوعية. ومع ذلك، فإن حجم العينة صغير نسبيًّا small ، حيث يبلغ قطرها حوالي 4 مم وسُمكها 1 مم فقط بالنسبة لمواد العزل. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب القياسات الدقيقة وزنًا أوليًّا مرتفعًا وتلامسًا جيدًا بين العينة والبوتقة. هذه العوامل الثلاثة تجعل قياس السعة الحرارية النوعية للعزل السائب باستخدام طريقة DSC غير عملي وصعبًا. توفر طريقة HFM الحل المناسب لهذا النوع من العينات. يمكن لطريقة HFM تحليل حجم large (على سبيل المثال، عدة لترات). وهذا يجعل القياس أكثر تمثيلاً. بالإضافة إلى ذلك، فإن طريقة HFM تعمل في حالة الاستقرار. عند تحديد السعة الحرارية النوعية، يكون التلامس بين الألواح والعينة أقل أهمية مقارنةً بقياس DSC. لتحديدالسعة الحرارية النوعية ، يتم الحفاظ على كلا اللوحين عند نفس درجة الحرارة (ΔT صفر) حتى يصبح التدفق الحراري صفرًا. بعد ذلك، يتم إحداث قفزة في درجة الحرارة تبلغ 10 كلفن، على سبيل المثال، لكلتا اللوحين، ويُترك النظام يصل إلى درجة الحرارة النهائية حتى يصبح تدفق الحرارة صفرًا مرة أخرى. ويمكن استخدام كمية الحرارة المضافة عند تغير درجة الحرارة لقياس السعة الحرارية النوعية للعينة. يوضح الشكل 2 منحنى درجة الحرارة لهذا القياس. هنا، يمثلQupper التدفق الحراري عبر المستشعر الموجود على الصفيحة العلوية، وQlower يمثل التدفق الحراري عبر المستشعر الموجود على الصفيحة السفلية، وQtotal يمثل مجموع التدفقات الحرارية من كلا المستشعرين. تُستخدم المساحة الموجودة تحتمنحنى Qtotal لحساب السعة الحرارية النوعية.
تجريبي
عادةً ما يتم توفير مواد العزل المستخدمة في قياسات HFM على شكل ألواح. ومع ذلك، غالبًا ما تتوفر هذه المواد أيضًا كمواد سائبة، مثل مادة العزل المصنوعة من قشور القنب المُبيتّمة التي تم فحصها هنا (انظر الشكل 3).
كما يمكن تحديد الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية لهذه المواد. ولتحديد الموصلية الحرارية، تُوضع المادة السائبة في إطار. ويقع هذا الإطار خارج منطقة القياس، وبالتالي يمكن تجاهله أثناء القياس.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تحديد الكثافة استنادًا إلى الشكل الهندسي المحدد. تؤثر كثافة المادة أو درجة ضغطها بشكل كبير على الموصلية الحرارية، وفي حالة مواد العزل بشكل عام، يجب دائمًا تسجيلها جنبًا إلى جنب مع النتائج لإتاحة إمكانية المقارنة. أما في حالة السعة الحرارية النوعية، فيمكن أن يكون للإطار تأثير لا يُستهان به على القياس بسبب كتلته، حيث يتم تسخينه أيضًا أثناء عملية القياس التدريجي. ولهذا السبب، تُوضع المادة السائبة في كيس بلاستيكي رقيق جدًّا. وتكون كتلة الكيس البلاستيكي أصغر بعدة مرات من كتلة العينة، وبالتالي فهي لا تُذكر. وترد شروط القياس الأخرى ملخصة في الجدول 1.
الجدول 1: شروط قياس الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية لحشوة العزل المصنوعة من قشور القنب المُعالجة بالبيتومين
| الموصلية الحرارية | السعة الحرارية النوعية | |
| الوسائل المساعدة | الإطار | كيس بلاستيكي |
| الكثافة أثناء القياس | ~ 178 كجم/م³ | غير محدد |
| كمية العينة | ~ 693 غ | ~ 693 غ |
| برنامج درجة الحرارة | 20 درجة مئوية + 35 درجة مئوية، ΔT = 20 كلفن | 20 درجة مئوية + 35 درجة مئوية، ΔT = 15 كلفن |
النتائج
كما هو موضح في الشكل 4، تُظهر النتائج الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية لقشور القنب المُعالجة بالبيتومين عند استخدامها كمواد سائبة. تزداد الموصلية الحرارية لحشوة العزل المصنوعة من قشور القنب المُعالجة بالبيتومين زيادة طفيفة مع ارتفاع درجة الحرارة، وهو ما يتوافق مع السلوك الحراري النموذجي لمواد العزل. وتقع السعة الحرارية النوعية باستمرار ضمن النطاق الذي يتراوح بين 1,500 و 1,630 جول/(غ·كلفن) تقريبًا في كلتا القياسات المتكررتين (الاختبار 1 والاختبار 2)، حيث تُظهر زيادة طفيفة مع ارتفاع درجة الحرارة. وتقع القيم المحددة لهذه المواد ضمن النطاق النموذجي والمتوقع لمواد العزل السائبة المُبيتمنة ذات الأساس الحيوي. وبشكل عام، تؤكد القياسات الموصلية الحرارية المعتدلة التي تتميز بها مواد العزل السائبة المصنوعة من الألياف الطبيعية، إلى جانب قدرة تخزين حراري جيدة.
ملخص
تُظهر القياسات الحالية أن HFM 706 Lambda Medium تسمح بتحديد دقيق وعملي للخصائص الفيزيائية الحرارية لمواد العزل التي يصعب قياسها، مثل قشور القنب المبتومين. وعلى عكس طريقة DSC، التي يبلغ حجم العينة فيها small وهو غير مناسب للمواد السائبة غير المتجانسة، فإن طريقة HFM، بحجم عينتها large ، تتيح أيضًا إجراء قياس تمثيلي وقابل للتكرار للسعة الحرارية النوعية. وتوفر طريقة القياس في حالة الاستقرار هذه نتائج متسقة للموصلية الحرارية (0.0547 إلى 0.0584 وات/(م·كلفن)) والسعة الحرارية النوعية (1,500 إلى 1,630 جول/(غ·كلفن)) كدالة لدرجة الحرارة، وهي تتوافق بشكل جيد مع القيم المتوقعة لمواد العزل ذات الأساس الحيوي. وبذلك، يثبت جهاز HFM 706 أنه بديل موثوق لطرق الاختبار التقليدية – خاصةً بالنسبة للمواد السائبة – من أجل تحديد المعلمات ذات الصلة بفيزياء البناء بشكل موثوق.