Влияние воздуха и воды на свойства материалов

Воздух и вода, с одной стороны, участвуют в технологическом процессе изготовления многих материалов, а с другой стороны, материалы и изделия работают в воздушной и влажной среде. При этом воздух и вода могут содержать какие то другие химические элементы, неблагоприятно воздействующие на материал, а физические параметры среды (концентрация химических элементов, температура и давление) меняются по времени.

Воздух - смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли (азот- 78 объемных %, кислород- 21 %, инертные газы 1%). Плотность воздуха 1, 293 кг/м³, замерзает он при –192 °С.

Воздух имеет один из самых низких коэффициент теплопроводности (l=0,023 Вт/(м×К), ниже этого только значение l для азота (l=0,021 Вт/(м×К), поэтому все современные строительные материалы имеют много пор, в которых находится воздух, выполняющий роль «теплоизоляционного материала ».

Воздух и его компоненты широко используются в энергетике, в производстве сплавов металлов и многих строительных материалов.

Влажность воздуха

Температура, влажность и скорость воздуха являются факторами, обеспечивающими не только уровень комфортности для человека, но и влияющими на затраты энергии на содержание зданий, сооружений и машин, на их срок службы. Фактическое содержание влаги в 1м³ воздуха называется абсолютной влажностью. Измеряется она в граммах на кубический метр воздуха. Воздух, содержащий максимальное количество влаги, называется насыщенным. Количество влаги, максимально содержащее в воздухе, зависит от температуры и давления воздуха. Так, при нормальном атмосферном давлении (1 атм, или 760 мм рт. ст.) при 15 °С в 1 м³  содержится 12,7 г воды (водяного пара), а при 30°С уже 30,04 г (рис.2.28).

Отношение количества водяного пара, фактически имеющегося С_чф в воздухе (абсолютная влажность) к тому количеству, которое необходимо для его полного насыщения С_чн  (рис.2.28) при той же температуре, называется относительной влажностью Wh:

Точка росы

Температура, при которой воздух, взятый при определенных условиях (относительной влажности, температуре и давлении) полностью насыщается, называется его точкой росы.

Рассмотрим пример по рис.2.28. Температура воздуха в помещении была 25 °С при относительной влажности воздуха 24,5 %, т.е. в воздухе было    g _ф=24,5×22,8 / 100=5,59 грамм  воды. 

При понижении температуры эта вода при пересечении ординаты (5,59 г) с кривой насыщения начинает выпадать в виде росы, т. е. это произойдет при температуре, которая для этого случая и будет называться точкой росы (+2°С). Доля человека комфортной является влажность воздуха 40…60%. Однако, в зимний период относительная влажность часто не превышает 10…20 %, при этом происходит быстрое испарение и высыхание слизистой оболочки носа, горла и легких, что и приводит к простудным и другим заболеваниям органов дыхания. Это происходит потому, что зимой холодный воздух, имеющий небольшое содержание воды (например, при –10 °С в 1 м³ содержится всего 1,2 г воды), проникает в теплое помещение, где нагревается до +20°С, а максимально возможная влагоемкость его при этой температуре составляет 17,3 г/м³, вследствие чего и происходит снижение относительной влажности.

Комфортной для человека является температура воздуха в пределах 21…25 °С

Относительная влажность и температура воздуха, атмосферное давление влияют на выпадение (конденсацию) «излишков» воды в воздухе на ограждающие конструкции (стены, потолки, фундамент и др.), на трубы и поверхности приборов и машин. Стена здания, фундамент подвала «плачет», на них конденсируются капли воды. Это приводит к повышению теплопроводности и к разрушению материала ограждающих конструкций. Да и эстетически для человека это неприятно.

Вода - источник жизненных биологических процессов на Земле, она во много формирует климат и является важнейшим строительным материалом. Она широко используется в многочисленных технологических процессах получения и обработки строительных материалов, как компонент при схватывании и твердении вяжущих материалов (цемента, гипса, извести).

При  обеспечении жизнедеятельности человека и промышленного производства вода становится все более дефицитным материалом, особенно в масштабах планеты, поэтому в последнее время все большее внимание отводится водоподготовке и водоочистке, вопросам экономного расходования воды, внедрению замкнутых промышленных систем водопотребления.

С повышением температуры коэффициент теплопроводности l не только воздуха, но и большинства строительных материалов увеличивается.

С увлажнением материала из- за проникновения воды в поры теплопроводность повышается (см. рис.2.3), т.к. значение l для воды равняется 0,590 Вт / (м××´К), т. е. в десятки раз выше значений для воздуха - 0,023 Вт / (м×´К).

Если в порах вода замерзнет, то теплопроводность материала (пропитанного водой и замороженного) еще возрастает, т. к. l_льда= 2,1 Вт / (м×´К), т.е. в 4 раза выше коэффициента теплопроводности воды.

Отсюда следует, что если в порах материала находится сухой воздух, то будут минимальные потери тепла (l=0,023 Вт / (м´К) для воздуха), а если же в поры проникла вода, то потери тепла возрастают в десятки раз (коэффициент теплопроводности воды уже составляет 0,590 Вт / (м ´ К)), а если эта вода замерзнет, то потери тепла возрастают уже почти в сто раз.

Вода при 0 °С кристаллизуется (замерзает), а при 100 °С - испаряется. Максимальная плотность воды при 3,98 °С составляет 1000 кг/м³ (рис.2.29).

Более плотная вода (+4 ^оС) находится на дне водоемов, поэтому менее плотная (более нагретая, т.е. выше +4 ^оС) поднимается наверх, где постепенно в зимний период и замерзает, поэтому лед, как менее плотное вещество, плавает на поверхности воды. Из-за этого глубокие водоемы полностью зимой не промерзают.

                                         

Рис.2.29. Зависимость плотности воды от температуры