Prehod toplote
Toplota je oblika energije, katera zaradi razlike v temperaturi prehaja iz enega telesanotranje energije telesa. Ker je merilo za notranjo energijo temperatura, se z dovajanjem toplote ali segrevanjem telesa, notranja energija in s tem temperatura povečuje, z odvajanjem toplote ali ohlajanjem telesa pa zmanjšuje. Če snov sprejme toploto, se poveča njena notranja energija, če snov odda toploto, se njena notranja energija zmanjša. Toplota je del notranje energije, ki se vedno pretaka z mesta z višjo temperaturo na mesto z nižjo temperaturo. Z medsebojnimi trki molekul toplejši del oddaja, hladnejši del pa sprejema notranjo energijo. Skladno s prvim zakonom termodinamike je sprememba notranje energije toplotno izoliranega telesa enaka vsoti prejetega ali oddanega dela na drugega. O toploti govorimo, kadar imamo opravka s spreminjanjem in toplote.
Da bi zagotovili primerne bivalne in delovne pogoje, želimo v stavbah porabiti čim manj energije. Za ta namen moramo celoten ovoj stavbe dobro toplotno zaščititi s primerno debelino toplotno izolacijskega materiala, s pomočjo katerega bistveno zmanjšamo pretok in s tem izgube toplote.
Primerjava toplotne prevodnosti nekaterih izolacijskih materialov.
Kondukcija ali prevajanje
Pretežni del in na srečo tudi najlažje predstavljiv prenos toplote se odvija skozi ovoj stavbe s prevajanjem ali kondukcijo, to je ob stiku toplejšega s hladnejšim telesom. Toplotni tok je tem manjši, čim manjša je toplotna prevodnost in čim večja je debelina določenega materiala ali konstrukcijskega sklopa. Oziroma drugače, če želimo zmanjšati toplotni tok iz notranjosti v zunanje okolje in obratno, stremimo predvsem k zmanjšanju toplotne prevodnosti in povečanju debeline snovi.
Konvekcija ali prenos toplote z mešanjem plinov
Zaradi mešanja zračnih mas prihaja do prenosa toplote med trdnim telesom in plinom ter obratno. Torej toplota preide iz notranjega zraka na steno s konvekcijo, nato preko stene s kondukcijo in končno iz stene na zunanji zrak ponovno s konvekcijo.
Radiacija ali elektromagnetno sevanje
Radiacijska ali sevalna toplota je tista, ki se prenaša med dvema telesoma, ki nista v neposrednem stiku. Prenos elektromagentnega sevanja se lahko odvija tudi brez medija – tudi po vakuumu. Sam mehanizem je težje predstavljiv, a kljub temu ima velik vpliv na toplotno bilanco stavb. Naj naštejemo najpomembnejše: sončno sevanje, sevanje grelnih teles, sevanje razgretih protisončnih zaščit, radiacijsko podhlajevanje v nočnem času in podobno. Z radiacijo so povezani tudi primeri kondenzacije pod kritinami.
Vsi trije prenosi toplote so v tesni povezavi s človekovim toplotnih ugodjem. Kondukcija z dotikom hladnih površin, konvekcija z neugodjem ob močnem strujanju zraka (veter, ventilacija, prepih) in radiacijsko ohlajevanje proti hladnim površinam zunanjih sten ali steklenih površin ter radiacija v drugi smeri; grelna telesa sevajo in ogrevajo človeško telo. Zato toplotno ugodje človeka še zdaleč ni odvisno samo os temperature zraka.
Toplotna prevodnost
Toplotna prevodnost ima oznako ‘l’ v Evropi in ‘k’ v Ameriki z izpeljano enoto W/(m2 K) in je snovna lastnost materiala, določena pri srednji delovni temperaturi (običajno 20oC) in vlažnosti (na 50% zračni vlagi) materiala, ki pove, kolikšen toplotni tok preteče pri stacionarnih pogojih v 1 uri skozi material z debelino 1m in površino 1m2 pri temperaturni razliki 1 stopinje Kelvina (K) v smeri pravokotno na mejni ploskvi. Toplotna prevodnost za trdnine se v splošnem zelo malo spreminja, za pline in tekočine pa je zelo odvisna od temperature. Prav tako je toplotna prevodnost odvisna od stopnje vlage v materialu. Zelo pomembno pa je, da pri tem ločimo volumsko od težnostne stopnje vlage, kajti v primeru izolacijskih materialov, ki so lahki na enoto prostornine, visok odstotek težnostne vlage še ne pomeni veliko zmanjšanje izolativnosti, medtem ko že majhen odstotek volumske vlage zelo poslabša toplotno izolativnost.
Boljšo izolativnost izkazujejo materiali s čim manjšo vrednostjo toplotne izolativnosti ‘l’ , saj se v tem primeru prevaja manj Wattov na dolžinski meter pri enotni razliki stopinje Kelvina. V preglednici je vrednost toplotne prevodnosti za mirujoči zrak okrog 0,027 W/(m K), kar predstavlja teoretično mejo za izolacijske materiale v katerih se zadržuje zrak. Za še boljšo izolativnost bi potrebovali polnjenje z drugimi, bolj izolativnimi plini ali celo vakuumom. Pri tem pa nastopi največja težava; kako preprečiti izmenjavo teh plinov ali vakuuma z okoliškim zrakom. V praksi so toplotne prevodnosti izolacijskih materialov večje kot pri mirujočem zraku, saj k povečanju prevodnosti doprinesejo tudi prevodnost toplote po vlaknih ali stenah celic izolacijskih materialov in predvsem prevodnost zaradi lokalnega sevanja znotraj samega materiala (topla površina v delcu materiala se ohlaja proti hladni). Nadaljnja izboljšanja toplotnoizolacijskih lastnosti materialov temeljijo ravno na tem mehanizmu (primer je BASF Neopor®).
Toplotna prevodnost je v splošnem odvisna od gostote materiala, od oblike in velikosti celic ali vlaken ter stopnje naravne vlažnosti. Izolativnost izotropnih materialov je enaka ne glede na smer toplotnega toka, medtem ko predvsem vlaknasti materiali izkazujejo za približno četrtino slabše izolativne lastnosti v smeri vlaken, kakor pravokotno na vlakna. Slednje je vzrok, da so tako imenovane ‘lamele’ slabše izolativne od običajnih plošč.
