Воронежский Государственный архитектурно - строительный университет

Методические указания
и контрольные задания по
строительной физике

Физические основы строительной теплотехники.
Тепловая устойчивость и влажностный режим ограждающих конструкций.
Естественное и искусственное освещение.
Архитектурная акустика и шумы.
Методические указания и контрольные задания по физике для студентов всех специальностей ускоренной формы обучения

Воронеж - 2008

Составители: к.ф.-м.н. Тарханов А.К.
УДК 53.07

Физические основы строительной теплотехники. Тепловая устойчивость и влажностный режим ограждающих конструкций. Естественное и искусственное освещение. Архитектурная акустика и шумы. Методические указания и контрольные задания по строительной физике для студентов заочного факультета специальности ЭУН /Воронеж, гос. арх.-строит. ун-т;
Сост.: доц. Тарханов А.К.; Под ред. проф. Головинского П.А. – Воронеж, 2008 – 51 стр.

Настоящие методические указания предназначены для студентов заочного отделения. В них приведены условия задач для выполнения контрольных работ с разбивкой по вариантам, содержится краткий материал по темам «Строительная теплотехника», «влажность воздуха и влажностный режим ограждающих конструкций», «Естественное и искусственное освещение», «Архитектурная акустика и шумы». Предназначены для студентов дневного и заочного отделений, технических специальностей вузов.

Ил. 4. Табл. 1. Библиогр.: 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Рецензент – д.ф-.м.н., проф. Нечаев В.Н., кафедра ВМФММ, ВГТУ

ВВЕДЕНИЕ
Строительная физика как предмет исследований и учебная дисциплина объединяет довольно разнородный физический материал. К строительной физике традиционно относится строительная теплофизика, строительная светотехника, а также строительная и архитектурная акустика. Тем самым в строительной физике объединены те разделы физики, которые непосредственно применяются при проектировании зданий и сооружений и не могут быть отнесены к строительной механике.
С точки зрения методов, применяемых для описания физических процессов в строительной физике, можно выделить два основных физических подхода. Первый из них основан на методе Фурье представления функций в виде ряда гармонических функций. Этот метод является основным при рассмотрении задач теплопроводности и волновых задач акустики. Второй основной метод – лучевой метод описание оптических и акустических полей. Он является основным при решении задач определения освещенности и распространения звука в помещениях и архитектурной среде.
Предлагаемый курс лекций построен в соответствии с государственным стандартом РФ для строительных специальностей. Он содержит необходимый теоретический минимум для освоений студентами основных методик расчета в строительной физике на базе СНиП. Практическое закрепления навыков измерений и расчетов осуществляется при проведении соответствующих лабораторно-практических занятий.

ЗАДАЧИ
1. Определить тепловую проводимость участка бетонной стены (λ=2.0 Вт/мК), если при тепловом потоке 50 Вт/м2 и температуре окружающего воздуха 200С температура внутренней поверхности стенки равна 250С.
2. Определить коэффициент теплопроводности материала перекрытия, если при толщине перекрытия 30 см и тепловом потоке 40 Вт/м2 разница температур наружной и внутренней поверхностей стенки равна 300С.
3. Определить термическое сопротивление перегородки, для которой при тепловом потоке 55 Вт/м2 поддерживается разница температур 250С.
4. Рассчитать величину теплового потока в бетонном перекрытии толщиной 25см при температуре окружающего воздуха -250С и внутреннего 250С. (λбетона=1.5 Вт/мК).
5. Определить сопротивление теплопередаче R трехслойного ограждения, состоящего из цементно-песчаной штукатурки у внутренней поверхности (1=2 см, 1=0,65 ккал/м•ч•К), пеностекла (2=10см, 2=0,1 ккал/м•ч•град), железобетонной плиты (3=4см, 3=1,2 ккал/м•ч•К). Коэффициент теплоперехода: а) у внутренней поверхности ограждения в = 7,5 ккал/м2•ч•град; б) у наружной поверхности ограждения н = 20 ккал/м2•ч•град.
6. При параллельном соединении двух слоев материалов (пеностекла (2=10см, 2=0,1 ккал/м•ч•град) и железобетонной плиты (3=4см, 3=1,2 ккал/м•ч•К ) сопротивление теплопередаче составляет 0,560 (м2•чК /ккал). Вычислить коэффициенты теплоотдачи наружной и внутренней поверхностей ограждающей конструкции (приняв их равными).
7. Чему равна температура поверхности стены, если критерий Био для нее равен 1, а перепад температуры в ее толще 150С. Температура наружного воздуха -50С. Вычислить температурный напор для этого случая.
8. Определить толщину ламинарного слоя воздуха около вертикальной стены в помещении в условиях свободной конвекции, если среднее значение коэффициента конвективного теплообмена = 15 Вт/(м2К).
9. Найти разность между температурами поверхности и воздуха в помещении при толщине ламинарного слоя воздуха вблизи этой поверхности 0,35м.
10. Определить значение коэффициента конвективного теплообмена для горизонтальной обращенной вверх нагретой поверхности при толщине ламинарного слоя воздуха вблизи этой поверхности 0,55м.
11. Вычислить энергию, излучаемую за 1 мин с площади в 1 см2 абсолютно черного тела, температура которого 800 К.
12. Найти температуру Т печи, если из отверстия в ней S = 6,1 см2 имеет мощность 69,2 Вт. Считать излучение печи абсолютно черным.
13. Какую энергетическую светимость имеет затвердевающий свинец? Отношение энергетических светимостей свинца и абсолютно черного тела при этой температуре α = 0,6.
14. Определить количество теплоты, теряемое поверхностью обогревателя с алюминиевой поверхностью при Т = 100 0С за 1 час, если площадь активной поверхности обогревателя 500 см2. Коэффициент поглощения алюминия принять равным 0,8.
15. Из смотрового окошка печи излучается поток 7 кДж/мин. Определить температуру печи, если площадь окошка 10 см2. Коэффициент черноты 0,95.
16. Мощность излучения раскаленной металлической поверхности N = 0,7 кВт. Температура поверхности 500 К, площадь 100 см2. Какую мощность излучения имела бы эта поверхность, если бы она была абсолютно черной? Найти отношение энергетических светимостей этой поверхности и абсолютно черного тела при этой температуре.
17. Диаметр нагревательного элемента в бытовом обогревателе 1 см, длина 1 м. При включении его в сеть 220 В через него течет ток 10 А. Найти температуру нагревательного элемента обогревателя, считая, что все выделяющееся в нем тепло теряется в результате излучения. Степень черноты элемента 0,8.
18. Наружная поверхность стены имеет температуру -200С, внутренняя +200С. Толщина стены d = 40 см. Найти теплопроводность материала стены, если через единицу ее поверхности за время τ = 1 час проходит количество теплоты Q = 460,5 кДж/м2 .
19. Какое количество теплоты Q теряет за время τ = 1 минута квадратная комната с площадью пола S = 20 м2 и высотой 3 м через четыре кирпичные стены? Температура в комнате 150С, температура наружного воздуха -200С. Теплопроводность кирпича λ = 0,84 Вт/мК. Толщина стены 50 см. Потерями тепла через пол и потолок пренебречь.
20. На плите стоит алюминиевая кастрюля диаметром D = 15 см, наполненная водой. Вода кипит и при этом время τ = 1 минута образуется масса m = 300 г водяного пара. Найти температуру внешней поверхности дна кастрюли, если его толщина d = 2 мм. Потерями тепла пренебречь. Теплопроводность алюминия λ = 210 Вт/мК.
21. В замкнутом объеме V = 1 м3 относительная влажность воздуха φ = 0,6 при температуре t = 20 0С. Какая масса воды должна испариться в этот объем, чтобы водяной пар стал насыщенным?
22. Молярная масса водяного пара μ = 0, 018 кг/моль. Найти число молекул n насыщенного водяного пара, содержащихся в единице объема при температуре t = 30 0С.
23. Масса m = 0.5 кг водяного пара занимает объем V = 10 л при температуре t = 50 0С. Какова при этом относительная влажность φ? Какая масса пара сконденсируется, если изотермически уменьшить объем от V до V/2?
24. Во сколько раз плотность ρн1 насыщенного водяного пара при температуре t = 200 0С больше плотности ρн2 насыщенного водяного пара при температуре t = 100 0С?
25. Какая масса водяного пара содержится в объеме V = 1 м3 воздуха в летний день при температуре t = 30 0С и относительной влажности φ = 0,75?
26. Температура комнаты t1 = 18 0С, относительная влажность φ = 0,5. В металлический чайник налили холодную воду. Какова температура воды t2 , при которой чайник перестанет запотевать?
27. Относительная влажность воздуха, заполняющего сосуд объемом 0,7 м3 при температуре t = 24 0С равна 60 %. Сколько нужно испарить в этот объем воды до полого насыщения пара? Давление насыщающих паров при этой температуре pн = 22,4 мм. рт. ст.
28. В запаянной трубке объемом 0,4 л находится водяной пар под давлением 60 мм. рт. ст. при температуре t = 150 0С. Какое количество росы выпадет на стенках трубки при охлаждении ее до 22 0С. Давление насыщающих паров при 22 0С pн = 19 мм. рт. ст.
29. Давление насыщающего пара при температуре 36 0С pн = 44,6 мм. рт. ст. Сколько весит при этой температуре 1 м3 влажного воздуха при относительной влажности 80 % и давлении 1 атм?
30. Чему равнялась относительная влажность воздуха под поршнем при
20 0С и давлении 1 атм, если конденсация воды из этого воздуха при температуре t = 100 0С началась при давлении 100 атм? Давление насыщающих паров при 20 0С pн = 17,5 мм. рт. ст.
31. В сосуд объемом 10 л, наполненный сухим воздухом при давлении P = 1 атм и температуре 0 0С вводят 3 г воды и нагревают сосуд до t = 100 0С. Определить давление влажного воздуха в сосуде при этой температуре.
32. Некоторый объем воздуха, температура которого 25 0С, давление 745 мм. рт. ст. и относительная влажность воздуха φ = 40 %, имеет массу 1 г. Найти этот объем. Давление насыщающих паров при 25 0С pн = 23,5 мм. рт. ст.
33. В сосуде V = 100 л при температуре t = 30 0С находится воздух с относительной влажностью φ = 30 %. Какова будет относительная влажность φ1, если в сосуд ввести 1 г воды? Давление насыщающих паров при 30 0С pн = 31,8 мм. рт. ст.
34. Воздух имеет температуру 60 0С и абсолютную влажность 50 г/м3. Какой будет абсолютная влажность этого воздуха, если температура понизится до 10 0С?
35. В комнате объемом 40 м2 воздух имеет температуру 20 0С и относительную влажность φ = 20 %. Сколько нужно испарить в этой комнате воды, чтобы относительная влажность достигла 50 %?
36. При температуре t = 20 0С и давлении 760 мм. рт. ст. воздух имеет влажность 100%. На сколько процентов он тяжелее сухого воздуха той же температуры и с тем же давлением? Молекулярная масса сухого воздуха равна 29 кг/кмоль.
37. В комнате объемом V =150 м3 поддерживается температура T1 = 293 К, а точка росы T2 = 283 К. Определить относительную влажность воздуха и количество водяных паров, содержащихся в комнате.
38. Какое давление будет создавать водяной пар, насыщенный при 373 К, если в момент насыщения его отделить от воды и изохорически нагреть на 25 К?
39. Температура воздуха в комнате объемом V =150 м3 равна 6 0С, относительная влажность φ = 80 %. Сколько воды нужно испарить в этой комнате, чтобы при увеличении температуры до 18 0С относительная влажность стала равна 60 %? Плотности насыщающих паров воды при этих температурах равны соответственно 7.3•10-3 и 15.4•10-3 кг/м3.
40. Относительная влажность воздуха вечером при температуре 283 К равна 60 %. Ночью температура воздуха понизилась до 277 К и выпала роса. Сколько водяного пара сконденсировалось из 1 м3 воздуха? Плотности насыщающих паров воды при этих температурах равны соответственно 1.36•10-3 и 6.4•10-3 кг/м3.
41. В той части спектра, где глаз человека имеет наибольшую чувствительность ( λ = 0.555•10-6 м), потоку в 1 лм соответствует мощность 0,0147 Вт. Какую бы силу света имела бы лампа мощностью 40 Вт, если бы вся потребляемая ею энергия превращалась бы в излучение с указанной длиной волны?
42. Освещенность Земли полной луной составляет примерно 0.1 лк. Сила света наиболее мощных прожекторов достигает 3•106 кд. Сравнить силу света Луны с силой света прожектора, считая, что земная атмосфера поглощает половину света, посылаемого Луной. Расстояние от Земли до Луны равно 384000 км.
43. Диаметр объектива телескопа 60 см, а диаметр человеческого зрачка 6 мм. Во сколько раз этот телескоп увеличивает видимую яркость звезд?
44. Лампа висит над центром стола. Когда она находилась в точке А, освещенность центра стола равнялась Е1 = 36 лк, а когда е подняли в точку В, освещенность стала равной 16 лк. Какой будет освещенность центра, если поместить лампу точку, среднюю между А и В?
45. Свет, идущий от точечного источника, проходит через собирающую линзу и освещает экран (см. Рис.). Сила света источника равна 60 кд, расстояние от источника до линзы равно 0,3 м, фокусное расстояние линзы равно 0,5 м, расстояние от линзы до экрана равно 0,425 м. Найти освещенность экрана в точке Р.

Рисунок к задачам 45, 46, 47, 48, 49.
46. В главном фокусе собирающей линзы находится точечный источник, освещающий экран (см. Рис.). Сила света источника равна 100 кд, фокусное расстояние линзы равно 0,5 м. Найти освещенность центра экрана.
47. Свет, идущий от точечного источника проходит через собирающую линзу и (см. Рис.) и освещает экран. Сила света источника равна 27 кд, расстояние от источника до линзы равно 30 см, освещенность центра экрана Е = 300 лк. Как изменится эта освещенность, если отодвинуть экран на расстояние l = 1 м?
48. В главном фокусе собирающей линзы находится точечный источник, освещающий экран (см. Рис.). Фокусное расстояние линзы равно 40 см, расстояние от линзы до экрана равно 80 см. Во сколько раз изменится освещенность экрана, если убрать линзу?
49. Точечный источник света освещает экран с помощью собирающей линзы (см. Рис.). Сила света источника равна 10 кд, фокусное расстояние линзы равно 80 см, расстояние от источника до линзы равно 100 см, расстояние от линзы до экрана 2 м. освещенность центра экрана Е = 300 лк. Найти освещенность экрана в точке Р.
50. Монохроматический источник сета с длиной волны 555 нм излучает световой поток 1200 лм. Какова мощность излучения? Какова должна быть мощность излучения для получения такого же светового потока на длине волны 480 и 600 нм?
51. Найдите яркость источника, который с 1мм2 своей поверхности испускает внутрь телесного угла 0,03 ср световой поток, равный 15 лм.
52. Какой световой поток падает на поверхность площадью 100 см2 в ясный солнечный полдень, когда освещенность достигает 100000 лк?
53. На поверхность, площадь которой равна 4 м2 падает световой поток, равный 10000 лм. Найдите освещенность этой поверхности.
54. Сила света точечного источника равна 100 кд. Найдите полный световой поток, испускаемый этим источником, и освещенность поверхности, перпендикулярной к направлению лучей, находящейся на расстоянии 3 м от источника.
55. Свет от электрической лампочки с силой света I = 200 кд падает под углом α = 450 на рабочее место, создавая освещенность Е = 141 лк. На каком расстоянии r от рабочего места находится лампочка? На какой высоте от рабочего места она висит?
56. Лампа, подвешенная к потолку, дает в горизонтальном направлении силу света I = 60 кд. Какой световой поток Ф падает на картину площадью S = 0.5 м2, висящую вертикально на стене на расстоянии r = 2 м от лампы, если на противоположной стене находится большое зеркало на расстоянии a = 2 м от лампы?
57. В центре квадратной комнаты площадью S = 25 м2 висит лампа. На какой высоте h от пола должна находиться лампа, чтобы освещенность в углах комнаты была наибольшей?
58. В центре круглого стола диаметром D= 1.2 м стоит настольная лампа из одной электрической лампочки, расположенной на высоте h1 от поверхности стола. Над центром стола на высоте h2 от его поверхности висит люстра из четырех таких же лампочек. В каком случае получится большая освещенность на краю стола (и во сколько раз): когда горит настольная лампа или когда горит люстра?
59. Найти освещенность Е на поверхности Земли, вызываемую нормально падающими солнечными лучами. Яркость Солнца В = 1.2•109 кд/м2.
60. На лист белой бумаги площадью S = 20×30 см2 перпендикулярно к поверхности падает световой поток Ф = 120 лм. Найти освещенность Е, и яркость В бумажного листа, если коэффициент отражения к = 0.75.
61. Лист белой бумаги площадью S = 20×30 см2 освещается лампой с силой света I = 100 кд, причем на него падает 0.5% всего посылаемого лампой света. Найти освещенность Е листа бумаги.
62. На какой высоте над чертежной доской следует повесить лампу мощностью Р = 200 Вт, чтобы получить освещенность доски под лампой, равную Е = 50 лк ? Светоотдача лампы равна 12 лм/м2. Наклон доски α = 300.
63. Над горизонтальной поверхностью MN помещены на высоте h = 2м и на расстоянии l = м друг от друга два источника света, дающие световые потоки Ф = 300 лм каждый. Определить освещенность Е на поверхности MN: а) в точках под источниками света; б) на середине расстояния между ними.
64. При помощи эхолота измерялась глубина моря. Какова была глубина, если промежуток времени между возникновением звука и его приемом оказался равным 2,5 с? Сжимаемость воды β = 4.6•10-10 Па. Плотность морской воды ρ = 1.03•103 кг/м3.
65. Найти скорость распространения звука в воздухе при температурах t, равных: -20, 0 и 200С.
66. Найти показатель преломления звуковых волн на границе воздух – стекло. Модуль Юнга для стекла Е = 6.9•1010 Па, плотность стекла ρ = 2.6•103 кг/м3, температура воздуха 200С.
67. Найти предельный угол α полного внутреннего отражения звуковых волн на границе воздух – стекло. Воспользоваться данными из предыдущей задачи.
68. Два звука отличаются по уровню звукового давления на ΔLp = 1 дБ. Найти отношение амплитуд их звукового давления.
69. Шум на улице с уровнем громкости LI1 = 70 фон слышен в комнате, как шум с уровнем громкости LI2 = 40 фон. Найти отношение I1/I2 интенсивностей звука на улице и комнате.
70. Интенсивность звука увеличилась в 1000 раз. На сколько увеличился уровень звукового давления? Во сколько раз увеличилась амплитуда звуковой волны?
71. Интенсивность звука I = 10 мВт/м2. Найти уровень громкости L1 и амплитуду р звукового давления.
72. Пуля летит со скоростью 200 м/с. Во сколько раз изменится частота тона свиста пули для неподвижного наблюдателя, мимо которого пролетает пуля? Скорость звука в воздухе 333 м/с.
73. С какой силой F надо натянуть стальную струну длиной l = 20 см и диаметром d = 0.2 мм, чтобы она издавала тон с частотой ν = 435 Гц?
74. Предел прочности для стали 785 МПа. Найти наибольшую частоту, на которую можно настроить струну длиной l = 1 м.