Filtr seznamu úloh?

Zvolte požadované hodnoty úrovní a požadované štítky. V obsahu budou zobrazeny pouze úlohy mající jednu ze zvolených úrovní každé škály a alespoň jeden štítek. Pokud chcete filtrovat pouze podle některých škál nebo jen podle štítků, nechte ostatní skupiny prázdné.

Škály

Úroveň náročnosti

Štítky

Typy úloh
Poznávací operace
«
«
«

Zateplení domu

Úloha číslo: 356

Majitelé staršího panelového domu s obvodovými zdmi tloušťky 20 cm se rozhodli ušetřit na vytápění tím, že dům z vnější strany obloží izolační vrstvou polystyrénu o tloušťce 10 cm. Předpokládejme modelový případ zimního dne, kdy venkovní teplota je −10 °C a vnitřní teplota je vytápěním udržována na 20 °C. Určete teplotu mezi zdí a polystyrénem. Kolikrát zateplení zmenší únik tepla zdmi?

  • Nápověda

    K řešení je třeba použít rovnici vedení tepla, která říká, že teplo, které projde materiálem, je úměrné rozdílu teplot na jeho koncích.

    Vzhledem k tomu, že oba materiály - beton a polystyrén jsou za sebou, musí v ustáleném stavu teplo, které projde betonem, následně projít i polystyrénem, a to „stejně rychle“. Jinak by docházelo ke změnám teploty mezi nimi. Teplotu mezi oběma materiály tedy zjistíme z toho, že teplotní tok betonem se musí rovnat teplotnímu toku polystyrénem.

  • Zápis

    d1 = 0,2 m tloušťka zdi
    d2 = 0,1 m tloušťka polystyrénového zateplení
    t1 = 20 °C vnitřní teplota
    t2 = −10 °C venkovní teplota
    t = ? teplota mezi zdí a polystyrénem
    Q1 /Q1= ? podíl tepel uniklých izolovanou a neizolovanou zdí
    Z tabulek:
    λ1 = 1,3 Wm−1K−1 součinitel tepelné vodivosti zdi (panel = beton)
    λ2 = 0,1 Wm−1K−1 součinitel tepelné vodivosti polystyrénu
  • Rozbor

    V rovnovážném stavu platí pro izolovanou zeď, že teplo, které projde za daný čas panelovou zdí, se musí rovnat teplu, které projde za stejný čas polystyrénovou izolací. Protože množství tepla, které projde materiálem, je úměrné rozdílu teplot na jeho koncích (za předpokladu, že tyto teploty jsou konstantní), můžeme z rovnosti prošlých tepel určit teplotu mezi zdí a polystyrénem.

    Teplo, které projde zdí s izolací, se rovná teplu, které projde pouze zdí při rozdílu teplot uvnitř a mezi zdí a izolací. A také se rovná teplu, které projde polystyrénovou izolací mezi teplotou vně domu a teplotou mezi zdí a izolací.

  • Řešení

    Rovnice pro vedení tepla zní:

    Q=λSΔtdτ,

    kde Q je teplo prošlé za čas τ, λ je součinitel tepelné vodivosti (charakterizující materiál), S je plocha a d tloušťka materiálu, přes který teplo prochází, a Δt je teplotní rozdíl mezi oběma konci materiálu, který musí být udržován konstantní.

    Pro určení teploty mezi zdí a polystyrénovou izolací využijeme toho, že v ustáleném stavu projde zdí a polystyrénovou izolací za daný čas stejné teplo (v opačném případě by se měnila teplota mezi zdí a polystyrénem), tj. bude platit:

    λ1S(t1t)d1τ=λ2S(tt2)d2τ.

    Odtud vyjádříme hledanou teplotu t:

    d2λ1(t1t)=d1λ2(tt2), d2λ1t+d1λ2t=d2λ1t1+d1λ2t2, t=d2λ1t1+d1λ2t2d2λ1+d1λ2=0,11,320+0,20,1(10)0,11,3+0,20,1C=16C.

    Pro výpočet zmenšení tepelných ztrát si vyjádříme teplo, které prošlo neizolovanou a izolovanou zdí za daný čas. Neizolovaná zeď:

    Q1=λ1S(t1t2)d1τ.

    U izolované zdi se prošlé teplo rovná teplu, které projde jen zdí při menším tepelném rozdílu:

    Q2=λ1S(t1t)d1τ.

    Sem za t dosadíme z předcházejícího vztahu:

    Q2=λ1S(t1d2λ1t1+d1λ2t2d2λ1+d1λ2)d1τ, Q2=λ1Sτd1d2λ1t1+d1λ2t1d2λ1t1d1λ2t2d2λ1+d1λ2, Q2=λ1Sτd1d1λ2t1d1λ2t2d2λ1+d1λ2=λ1λ2(t1t2)d2λ1+d1λ2Sτ.

    Poznámka: Vidíme, že obě tepelné vodivosti λ1 a λ2 jsou zde v rovnocenné pozici, takže stejný vztah bychom dostali, i pokud bychom vyjadřovali teplo, které projde přes polystyrén (z podmínky rovnosti tepel jsme odvodili teplotu t, proto musí obě tepla vyjít stejná) a odpovídá teplu, které projde izolovanou zdí.

    Také nám výsledný vztah dává návod, jak určit „průměrnou tepelnou vodivost“ pro složený materiál. Pokud bychom chtěli najít λ takové, aby se dalo použít na zeď s izolací jako celek (s celkovou tloušťkou d1 + d2), tak porovnáním získaného vztahu a obecné rovnice pro vedení tepla dostáváme: λS(t1t2)d1+d2τ=λ1λ2(t1t2)d2λ1+d1λ2Sτ, λ=λ1λ2(d1d2)d2λ1+d1λ2.

    Nakonec určíme podíl obou tepel:

    Q2Q1=λ1λ2(t1t2)d2λ1+d1λ2Sτλ1S(t1t2)d1τ=0,20,10,11,3+0,20,1=0,13=13%.
  • Odpověď

    Teplota mezi zdí a polystyrénem je 16 °C a po izolování zdí klesne únik tepla zdmi na 13 % původní hodnoty.

Úroveň náročnosti: Obtížnější středoškolská či velmi jednoduchá vysokoškolská úloha
K řešení úlohy je třeba vyhledat nějaké údaje.
Úloha na porovnávání a rozlišování
En translation
Zaslat komentář k úloze