Главная » Книги и журналы

1 ... 6 7 8 9 10 11 12 ... 25

Для парообразного п состояния влаги, так же как для льда л, характерно отсутствие примесей в фазе, и изменение свободной энергии составит:

dFu = - 5п dTn - Ри dVu + dm: (11.24}

dFn = - 5л Тл - Рл dV + 1л dm. (II .25)

В жидкой фазе влаги находятся растворенные примеси / и

где jim.i - составляющая химического потенциала жидкой фазы влаги, вызванная наличием растворенного вещества /.

Влага в материале может находиться под заметным действием гравитационных, электрических и других силовых полей. Дополнительное изменение удельной свободной энергии фазы в пределах элементарного объема материала под влиянием этих силовых полей может быть определено в виде суммы произведений потенциалов соответствующих силовых полей вш в рассматриваемой системе на приращение массы dmrQmdm.

При расчете ограждений важно учитывать действие на жидкую фазу влаги гравитационного поля с потенциалом вг и вводить дополнительное слагаемое в равенство (П.26).

dFy = -Sy dT - Рж dV + (Хж + 21жj) dmy + 0г dniy. (II.27}

Плотность жидкой фазы влаги рж можно считать практически неизменной, поэтому второй член правой части уравнения (П.27) можно преобразовать, умножив и разделив на рж, тогда:

dF = ~ 5ж Тж + (- - + + 2гжJ + вг) dm = 0. (II.28>-\ Рж /

Таким образом, состояние влажного материала как открытой гетерогенной системы определяется системой термодинамических уравнений, каждое из которых характеризует однородную ее часть.

В термодинамике приняты понятия интенсивности и экстенсивности. Характеристики интенсивности не зависят от массы или числа частиц фазы, они являются термодинамическими потенциалами фазы (Г, Р, jx, 0 и т.д.). Ими обусловливаются равновесные свойства системы или ее части и возможность, направление и предел самопроизвольного протекания переходных процессов переноса энергии и вещества. С их помощью можно оц-



ределить возможность переноса энергии или массы в системе или от одной ее фазы к другой. Факторы экстенсивности являются характеристиками емкостных свойств (f, S, У, т). Они пропорциональны массе, объему, числу частиц вещества фазы.

Отдельные элементарные объемы системы и ее составляющие находятся во взаимодействии. Обмен теплом и массой между ними происходит до выравнивания соответствующих термодинамических потенциалов в результате изменения определенных емкостных параметров. Если разности потенциалов отдельных частей поддерживаются или определенным образом изменяются из-за внешних воздействий, то на границах системы будет происходить обмен энергией и веществом, а в отдельных элементарных объемах внутри системы будут изменяться потенциалы и емкостные характеристики.

Для каждой фазы системы справедливо уравнение вида (11.28), из которого можно сделать вывод о том, что леренос энергии и вещества фазы происходит от более высокого уровня свободной энергии к более низкому (/ж<0). Перенос тепла, происходящий от более высокой температуры к более низкой, приводит к изменению энтропийной (5жйГж) составляющей энергии. Из урав-Бения (П.28) следует, что изменение массы фазы связано с величиной, взятой в скобки, во втором слагаемом уравнения. Эта величина по физическому смыслу является термодинамическим потенциалом фазы вш (в данном уравнении жидкой фазы влаги):

вж = - + [Хш + lmj + вг. (11.29)

Из (П.28) также следует, что перенос массы жидкой фазы происходит от области с более высоким Эщ к области с более низким потенциалом.

Между фазами во влажном материале происходит обмен энергией и веществом. Если принять во внимание сравнительно медленное протекание процессов тепло- и массообмена в ограждениях, то систему уравнений состояния влажного материала можно упростить. В любой точке материала для жидкой фазы влаги, влажного воздуха, скелета материала можно принять одну общую температуру.

Внутри пор материала достигается термодинамическое равновесие между фазами влаги: наряду с равенст-



BOM температуры устанавливается равенство потенциалов фаз влаги. Потенциалы жидкой фазы влаги, парообразной, льда, а также всех граничных слоев влаги в некоторой точке влажного материала в каждый момент времени равны. Общий для всех фаз влаги потенциал определим как потенциал влажности 9:

е = 0ж==вп = вл. (П.30)

Отметим, что принятое положение о равенстве потенциалов между фазами влаги в материалах принято во всех теориях влагопередачи [22, 43].

Каждая фаза имеет свои внутреннюю энергию и энтальпию. Энергия и энтальпия всей массы влаги будут равны их сумме. В результате вместо ряда уравнений для отдельных фаз влаги может быть написано одна уравнение для влаги:

dFji = - 5вл dT + Mm, (II. 31 >

где Рвл - свободная энергия; 5вл - энтропия; /п -масса влаги.

Перенос массы влаги происходит от более высокого потенциала влажности к более низкому, поэтому разность в определяет возможность, направление переноса (независимо от фазового состояния) и предел (влажностное равновесие) переходного процесса влагообмена. Изменение свободной энергии всей системы (влажного материала) cLF будет равно сумме изменений свободной энергии каждой составляющей (компоненты и фазы):

dF = -SdT + mm, (II.32>

где S -энтропия влажного материала (всей системы).

Такое преобразование возможно в силу отмеченного ранее свойства аддитивности емкостных параметров, к которым относятся свободная энергия, энтропия и масса. Последняя запись (11.32) уравнения состояния для влажного материала удобна тем, что в ней выделены в само* стоятельное слагаемое обозначения факторов, определяющих влагообмен (второе слагаемое).

Потенциал влажности в (П.29) - (П.ЗО) зависит от давления Р, химического потенциала я и др. Величину М- нельзя измерить непосредственно в опыте, возникают значительные сложности и при определении давления в отдельных фазах влаги. Поэтому в нельзя определить непосредственным измерением параметров интенсивности в эксперименте. Это обстоятельство существенно с точки зрения практического применения рассмотренных



термодинамических построений. Ои представляют инте рес и важны как теоретическая основа для качественной оценки состояния влаги в материале.

Для измерения потенциала влажности необходима специальная шкала. Она может быть правильно установлена только при учете рассмотренной теории состояния влажного материала.

Для решения задачи о состоянии и переносе влаги удобно и возможно систему уравнений состояния упростить. Влажный материал можно считать двухкомпонент-Бой однофазной системой, состоящей из твердого вещества и влаги (без разделения ее на фазы). Такую упрощенную модель определяет характеристическое уравнение состояния влажного тела (11.32).

Потенциал влажности в процессе переноса влаги играет такую же роль, как температура в процессе переноса тепла. Эта аналогия позволяет принять для введения шкалы потенциала влажности хорошо проработанную в термодинамике методику введения шкалы температуры.

Используя последовательность логических построений для определения температуры и ее шкалы, примем постулат о влажностном равновесии; если два тела находятся во влажностном равновесии с третьим, то они находятся во влажностном равновесии между собой. Из этого постулата, подтвержденного многочисленными опытами [2, 6, 15, 22, 31] и др., следует, что условие влажностного равновесия тел заключается в равенстве некоторой функции состояния влаги в этих телах. Такой функцией, однозначно определяющей состояние влаги во влажном материале, как это видно из (11.32), может быть только потенциал влажности G.

Из постулата о влажнос'тном равновесии следует, что в качестве измерителя потенциала влажности можно выбрать любое влажное тело. Такая же свобода допустима в выборе показателей его численных значений для создания шкалы е. Измеренный по такой шкале потенциал влажности будет экспериментальным в отличие от абсолютного, который определяют с помощью термодинамических функций. Так же как практические шкалы измерения температур (Цельсия, Форенгейта, Реомюра) отличаются от теоретической (термодинамической шкалы), так и экспериментальное значение потенциала влажности отличается от теоретического значения, полученного в термодинамическом уравнении.



Изменение потенциала влажности зависит от изменения степени влажности, вида материала, давления в фазах влаги, температуры, потенциалов гравитационного, осмотического и других силовых полей. Поэтому, пользуясь правом произвольного выбора шкалы, 0 можно измерять в шкале влажности, давления, потенциала гравитационного поля и с помощью других показателей. Однако необходимым условием такого измерения является исключение влияния других факторов, от которых зависит величина потенциала влажности.

Существуют теоретические построения процесса влагообмена, в которых за основу приняты различные шкалы потенциала состояния влаги: упругость водяных пазов [43], капиллярное давление [13], влагосодержание 22], гравитационный потенциал [15] и др. Однако принятая методика измерения с помощью этих шкал влияния прочих факторов не исключает.

Из всех показателей, с помощью которых можно измерять в, для построения численной шкалы наиболее удобно равновесное влагосодержание. Оно и принято в качестве измерителя потенциала влажности. Чтобы исключить влияние вида материала, измерения надо проводить на эталонном материале. Влияние температуры можно исключить, приведя результаты измерений при произвольной температуре к результатам, полученным при температуре, принятой за эталонную. При определении равновесной влажности в эксперименте необходимо исключить также действие гравитационного, осмотического и других силовых полей.

Считается наиболее удобным измерять потенциал влажности влажного тела влагосодержанием фильтровальной бумаги, находящейся с ним в состоянии влажностного равновесия. За эталонную принимают температуру +20° С. Потенциал влажности измеряют в градусах влажности С В). Равновесную весовую влажность фильтровальной бумаги, соответствующую максимальной гигроскопической влажности при эталонной температуре, принимают за 100В. Абсолютно сухому состоянию тела соответствует 0°В. Экспериментальную шкалу разбивают на градусы влажности равномерно. За один градус влажности принимают изменение равновесной весовой влажности фильтровальной бумаги на 1/100 значения ее максимальной гигроскопической влажности при эталонной температуре.



Установлена зависимость равновесной влажности фильтровальной бумаги от 6 при разных температурах (рис. II.4). Этой зависимостью пользуются для приведения результатов измерения в неизотермических условиях к единой шкале равновесной влажности при эталон-

Ugj, кг/кг


Рис. II.4. Зависимость между влажностью фильтровальной бумаги Яф.б при разных температурах i и потенциалом влажности в. Шкала потенциала влажности

ной температуре (методика построения изложена ниже).

На рис. II.4 приведен график зависимости между потенциалом влажности в, влажностью фильтровальной бумаги [/ф.б и температурой t.

Потенциал влажности произвольного материала при любом влагосодержании и температуре устанавливают



по равновесной с ним влажности фильтровальной бумаги с использованием шкалы, показанной на рис. II.4.

Все положения о потенциале влажности справедливы и для области отрицательных температур. В мерзлых материалах часть влаги превращается в лед, но между фазами воды сохраняется, как было указано, равенства потенциалов влажности. Это положение теории потенциала влажности [2] хорошо согласуется с принципом равновесного состояния воды в мерзлых грунтах, сформулированным Н. А. Цитовичем [44].

Процесс нестационарной влагопередачи в многослойных конструкциях при неизотермических условиях в широком диапазоне (до и сверх гигроскопической) влажности можно описать, используя понятие потенциал влажности 0.

Процесс влагообмена в толще материала подчиняется двум закономерностям: поглощения (ассимиляции) влаги и влагопроводности. Поглощение влаги связано со свойством влагоемкости материала ц. Величина ц определяет изменение влагосодержания материала U с изменением его потенциала влажности и зависит от 0 и температуры. Она равна частной производной влагосодержания по потенциалу влажности [тангенсу угла наклона касательной к изотерме зависимости влажности от потенциала 0 (см. рис. П.4)]:

, = (11.33)

Удельная влагоемкость ц имеет размерность кг/ /(кг.В.).

Свойство проводимости влаги материалом обусловливает перенос влаги.

По аналогии с теплопроводностью и на основе экспериментальных наблюдений принимаем, что поток влаги t, кг/(м2-ч), пропорционален градиенту потенциала влажности А0, °В/м:

i = -XV0, (11.34)

где к - коэффициент влагопроводности, кг/(м-Ч'°В).

Принимая уравнение (П.34), используем важное положение термодинамики необратимых процессов, устанавливающее выбор потоков и вызывающих их сил. Имеется определенная свобода такого выбора [23], так как приращение свободной энергии элементарного объема может быть различными путями расчленено на сумму



сопряженных потоков и сил. Поток пропорционален силе, которая определяется градиентом термодинамического потенциала. В рассматриваемом случае выбор потока обусловлен задачей расчета переноса влаги. Силой, сопряженной с потоком влаги, является градиент потенциала влажностиув, так как только этот термодинамический потенциал в уравнении состояния влажного материала (П.32) непосредственно связан с изменением массы влаги. Процесс влагопроводности в толще материала определяют уравнением поля потенциала влажности. Оно может быть получено на основе закона сохранения массы вещества из рассмотрения баланса влаги в элементарном объеме материала. Для одномерного поля имеем

(11.35)

где ро - объемная масса абсолютно сухого материала, кг/м^.

Изменение потенциала влажности зависит от температуры. В свою очередь при перемещении влаги, связанном с переносом тепла, изменяется температура. Процессы тепло- и влагообмена в толще материала взаимосвязаны, поэтому в общем случае для расчета влажностного и теплового режимов требуется рассмотрение системы из уравнения теплопроводности, осложненного наличием дополнительных источников тепла, и уравнения влагопроводности. Такой расчет оказывается весьма сложным.

Учитывая отмеченную выше специфику тепловлажностного режима ограждений, его расчет может быть выполнен проще. Температурное поле рассчитывают отдельно, учитывая влажностное состояние ограждения только при выборе тепловых характеристик процесса. Влагопередачу с учетом влияния температурного поля рассчитывают по (П.35). Уравнение (П.35) удобно для расчетов режима ограждений. В нем отсутствует член, учитывающий перенос влаги только под действием температуры, как это имеет место в уравнении теории тер-мовлагопроводности [23]. Влияние температурного поля учитывается в значениях потенциала влажности и характеристик ц я к процесса влагопроводности.

Граничные условия для расчета влагопередачи по (П.35) следующие. На поверхности ограждения происходит влагообмен с воздухом. Для определения этого



граничного условия необходимо знать потенциал влажности воздуха вв. Зависимость 0в от температуры h и относительной влажности фв воздуха (рис. II.5) аналогична такой же зависимости для других влажных тел.

Она может быть получена изотерм сорбции фильтровальной бумаги, которые дают зависимость f/ф.б (фв. t) и шкалы в(/ф.б, О, приведенной на рис. II.4. Граничное условие влагообмена поверхности ограждения с воздухом (условие III рода) имеет вид

Ре(вив-в)-=~>

графически перестроением

где 61

пов (11.36)

- соответст-

1---7)

Рис. II.5. Зависимость между относительной влажностью воздуха фв и его потенциалом влажности вв и температурой

венно потенциал влажности и градиент потенциала влажности в материале на поверхности конструкции; Ов - потенциал влажности воздуха; Ре - коэффициент влагообмена, кг/(м2.ч-В).

* Коэффициент зависит от потенциала влажности, температуры поверхности ограждения и воздуха, а также от подвижности последнего. Для условий естественной конвекции

р0 ;::;2,з.10~ A Ae/

(11.37)

где и А0соответственно разность температуры и разность потенциала влажности воздуха и поверхности ограждения.

Формула (11.37) выведена на основе экспериментальных данных влагообмена на вертикальной поверхности при конденсации водяных паров с использованием приближенной зависимости между разностью упругости водяных паров и разностью потенциалов влажности.

В многослойных ограждениях на стыке слоев потенциалы влажности материалов равны. Это важное следствие теории потенциала влажности. Кроме того, на стыке слоев равны потоки влаги, поэтому граничное условие



на стыке слоев при соприкосновении материалов (условие IV рода) имеет вид

llnOB = в21пОВ;

двг дЭ, ( -38)

их пов пов /

Постановка задачи нестационарной влагопередачи через ограждение, основанная на потенциале влажности, имеет ряд достоинств. В отличие от других теорий она может быть использована для расчета многослойных конструкций в неизотермических условиях при любой влажности и температуре материалов и окружающих сред.

Для многих строительных материалов нет характеристик состояния влаги и влагопроводности в шкале потенциала влажности, что затрудняет практические расчеты. В лабораториях МИСИ, НИИстройфизики и в других институтах для некоторых материалов такие данные получены. Методика их определения, изложенная ниже, достаточно проста и может быть широко использована.

11.3. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ВЛАГОПЕРЕДАЧИ НА ОСНОВЕ ПОТЕНЦИАЛА ВЛАЖНОСТИ

Шкала потенциала влажности

Экспериментальная шкала позволяет измерить потенциал влажности и оценить общим показателем влажностное состояние произвольного материала в неизотермических условиях. В опытах определяют равновесную с искомым материалом или средой влажность фильтровальной бумаги при разных температурах. В экспериментальной шкале, как было сказано, потенциал влажности измеряют равновесным влагосодержанием эталонного материала (фильтровальной бумаги) при эталонной температуре (20°С). Для перехода от измеренного влагосо-держания фильтровальной бумаги в неизотермических условиях к потенциалу влажности пользуются шкалой (см. рис. П.4), которая построена на основе результатов экспериментов в лаборатории МИСИ [6].

Построению экспериментальной шкалы потенциала влажности предшествовали опыты, которые состояли в следующем. Влагоизолированную колонку, собранную из пачек листов фильтровальной бумаги определенного вла-



1 ... 6 7 8 9 10 11 12 ... 25
Яндекс.Метрика