Григорьева Л.С. Химия в строительстве: Курс лекций. /Моск. гос. строит. ун-т. М.: МГСУ, 2010. – 104 с.
Конспект лекций по дисциплине «Химия в строительстве» составлен в соответствии с программой курса. В учебном пособии рассмотрены основы химической термодинамики, термохимии, поверхностных явлений. Даны классификации дисперсных систем. Представлены теоретические основы коррозионных процессов. Учебное пособие предназначено для студентов строительных вузов.
Р е ц е н з е н т ы
проф., канд. техн. наук А.М. Орлова, проф., д-р техн. наук, зав. лаб ИНЭОС РАН А.А. Аскадский
Компьютерная правка и верстка О.В. Суховой
Лицензия ЛР №020675 от 09.12.97 г.
Подписано в печать 25.01. 2010 г.
Формат 60 × 84 1/16
ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет.
Л е к ц и я 1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЗАКОН ГЕССА
Современное строительство использует великое множество самых разнообразных строительных материалов, из которых при помощи определенных строительных технологий и строится здание или сооружение. Основой технологических процессов, как производства строительных материалов, так и собственно технологии строительного производства являются основные законы природы. Поэтому при возведении любого здания необходимо учитывать самые разнообразные химические и физические процессы, происходящие в материалах при строительстве, сразу же после него или в процессе эксплуатации.
Учеба на Химической Технологии — Для абитуриента VLOG
Теоретическим фундаментом таких процессов, прежде всего, являются основные положения термодинамики и, в частности, химической термодинамики.
Основываясь на теоретических положениях химической термодинамики можно рассчитывать и прогнозировать прочность твердых тел, устойчивость гидратных образований, определяющих прочность бетонов, обосновывать направление, по которому протекают процессы гидратации минеральных вяжущих. Знание максимального тепловыделения, скорости этого процесса необходимо при выборе цемента для гидротехнических и иных видов строительства. Без термодинамического анализа трудно оценить процессы коррозии строительных материалов и их защиты.
Классическая термодинамика первоначально занималась изучением теплоты, но в дальнейшем, она включила изучение превращений энергии во всех её формах.
Химическая термодинамика изучает:
1. Соотношения между теплотой и другими формами энергии в процессе химических реакций;
2. Возможность самопроизвольного протекания химических реакций в данных условиях;
3. Условия, при которых реакция находится в состоянии химического равновесия.
Теоретической основой химической термодинамики являются основные законы природы — первое и второе начала термодинамики.
Термодинамика оперирует понятиями система, термодинамический процесс. Система – совокупность тел, выделенных фактически
или мысленно из окружающей среды и находящихся во взаимодействии с окружающей средой. Если между этой системой и средой отсутствует какой-либо обмен энергией и веществом, то она называется изолированной (объем и энергия такой системы постоянны). Система называется закрытой, если между системой, и средой взаимодействие осуществляется только за счет обмена энергией, но без обмена веществом.
Химическая технология
Система называется открытой, если взаимодействие между системой и средой выражается как в обмене энергией, так и в обмене веществом.
Термодинамический процесс – совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при её взаимодействии с окружающей средой.
Состояние системы характеризуют параметрами: объемом V, давлением р, температурой Т, концентрацией С и т. д.
Параметры, не зависящие от пути перехода системы из одного состояния в другое, а зависящие только от начального и конечного состояний, называют функциями состояния, например, внутренняя энергия тела. Эта энергия складывается из кинетической энергии молекул, энергии колебательного движения атомов, энергии электронов, внутриядерной энергии, энергии взаимодействия молекул и т.д., за исключением кинетической энергии системы в целом и потенциальной энергии ее положения в пространстве.
Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно, можно только измерить изменение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое. Если термодинамическая система с внутренней энергией U 1 , переходит в другое состояние с энергией U 2 , то изменение внутренней энергии ∆U не зависит от пути перехода, а зависит только от начального и конечного состояния системы, определяемого параметрами состояния (p, V, T).
Все изменения внутренней энергии при ее переходе от одного тела к другому можно разбить на две группы. В первую группу входит форма перехода энергии за счет хаотического столкновения молекул двух соприкасающихся тел. Мерой передаваемой таким способом энергии является теплота.
Теплота представлена интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит, т.е неупорядоченным движением микрочастиц.
Во вторую группу входят многие формы перехода энергии при перемещении масс, состоящих из большого числа частиц, под дейст-
вием каких-либо сил. Общей мерой, передаваемой таким образом энергии является работа, т.е. работа включает в себя упорядоченную макроскопическую форму движения.
Теплота Q и работа А в общем виде не являются функциями состояния и характеризуют способы передачи энергии.
Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и работой устанавливается на основе первого начала термодинамики.
Первое начало (закон) термодинамики непосредственно связано с законом сохранения и превращения энергии, который устанавливает эквивалентность ее форм. Этот закон является универсальным и подтверждается всем опытом человечества
«Во всех явлениях природы энергия не может исчезнуть бесследно или возникнуть из ничего. Энергия только превращается из одной формы в другую в строго эквивалентных соотношениях». Иногда этот закон формулируют в другой форме:
«Вечный двигатель первого рода невозможен, т.е. невозможно построить машину, которая выполняла бы механическую работу, не затрачивая на это соответствующего количества молекулярной энергии».
«В изолированной системе внутренняя энергия постоянна и определяется природой составляющих ее веществ, их массой и условиями существования».
Внутренняя энергия может изменяться только под влиянием внешних воздействий, то есть в результате сообщения системе количества теплоты Q и совершения над ней работы (А).
Условились считать положительными величинами теплоту, полученную системой, и работу, совершенную системой. Тогда из первого начала термодинамики следует, что теплота, подводимая к системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совер-
шение работы против внешних сил:
Данное уравнение представляет собой математическую форму-
лировку первого закона термодинамики.
При изохорном процессе (V = const)
теплота равна прираще-
нию внутренней энергии
Q v = U 2 – U 1 = ∆ U,
т.е. все тепло расходуется на изменение внутренней энергии. Уравнение первого начала термодинамики применительно к изобарным процессам, в которых совершается только работа расши-
Источник: studfile.net
Высокие химические технологии в стройиндустрии
Человек постоянно повышает уровень комфортности своего жилища, используя для этого достижения науки и техники. Можно сказать, строительство «домашнего очага» — одна из наиболее восприимчивых к новациям отраслей. К тому же требования к современному жилью столь высоки, что без использования самых совершенных технологий и материалов их не удовлетворить.
Помимо этого, внедрение современных строительных материалов и наукоемких технологий способствует снижению себестоимости работ, повышению производительности труда, а значит — повышению рентабельности отрасли в целом. Вот почему развитие стройиндустрии — это процесс постепенного вытеснения природных материалов синтетическими (искусственные полимеры и композиты). Вступает ли эта тенденция в противоречие с совершенствующимися требованиями экологической безопасности?
В XX веке благодаря достижениям науки в стройиндустрию пришли продукты высоких технологий — полимерные материалы. Из полимеров изготавливают детали машин и оборудования. Они используются в качестве вспомогательных компонентов (катализаторов, стабилизаторов, наполнителей, вспенивающих агентов и др.), которые значительно усиливают функциональные свойства привычных строительных и отделочных материалов. Они входят в состав многих отделочных материалов, а такие секторы современного строительства, как гидро- и теплоизоляция, просто немыслимы без продукции химии полимеров. Не последнюю роль играет то обстоятельство, что синтетические материалы, вытесняй природные, отчасти способствуют их сохранению.
Показателен пример поливинилхлорида — одного из старейших искусственных материалов. Впервые он был получен в лабораторных условиях еще в 1835 году французским горным инженером и химиком Анри Виктором Реньо. Однако промышленное применение ПВХ началось лишь спустя сто лет. Такие качества поливинилхлорида, как низкая теплопроводность, высокая химическая стойкость, долговечность, были по достоинству оценены, и после Второй мировой войны началось массовое применение ПВХ е изготовлении труб, профилей, покрытий для пола, пленок, кабельной изоляции и множества других изделий.
С тех пор популярность этого материала, правда, различными темпами в разных странах, непрерывно растет. Примерно половина изготавливаемого в мире ПВХ используется для производства строительных изделий, другая половина — упаковочные материалы, электротехника, бытовые изделия, транспорт и прочие ПВХ — широко используется в медицине, из него изготавливают емкости для жидкостей, капельницы и многое другое.
Сырьем для производства ПВХ служат каменная соль и нефть, причем на это идет менее одного процента добываемой в мире нефти. Кстати, специалисты отмечают, что в последнее время взамен нефтяных фракций все большее использование находит газовый конденсат. Так что это действительно яркий пример того, как появление искусственных материалов способствует сохранению природных ресурсов, в частности хвойных и широколиственных лесов. Ведь дерево — материал, из’ которого традиционно изготавливались окна и двери до появления оконных систем из ПВХ-профиля.
Развитие технологии каждого современного материала немыслимо без совершенствования экологической составляющей. Так, древесностружечная плита (ДСП), которая позиционируется как продукт более дешевый, влагостойкий и долговечный по сравнению с материалами из цельной древесины, на старте технологии ее производства служила негативным экологическим примером.
Для производства ДСП в качестве связующего звена еще несколько десятилетий назад использовались токсичные фенолформальдегидные смолы, в больших количествах выделявшие свободный формальдегид. Однако им на смену пришли безопасные карбамидоформальдегидные связующие, уровень мономерного формальдегида в которых мал. Кроме того, современные виды ДСП с ламинированным покрытием из ПВХ позволяют полностью исключить выделение формальдегида.
Сегодня производство ПВХ — одно из самых экологически чистых. Причем постановка проблемы стимулировала бурное развитие технологии утилизации отходов в Европе. Сегодня большая часть отходов ПВХ перерабатывается, а не сжигается. Современная наука рассматривает проблему переработки отходов ПВХ многосторонне, учитывая многокомпонентный состав полимерных композиций, источники образования отходов, опасность, которую представляют данные отходы для окружающей среды и те продукты, которые можно получить при переработке ПВХ различными методами.
Так, отходы производства окон из ПВХ и конструкции, отслужившие свой срок, поступают в центры переработки, где их отделяют от прочих материалов, перемалывают и снова пускают в технологический процесс.
Другое направление переработки отходов ПВХ — так называемый химический и химико-термический рециклинг. Разработано несколько методов, позволяющих использовать хлор, находящийся в полимерной цепи ПВХ, и использовать его для образования других соединений. Так, применяется метод рециклинга, позволяющий поэтапно извлекать из полимерной композиции ее компоненты. При нагревании до температур порядка 1ЭО-160°С сначала происходит испарение пластификатора, затем извлекается хлористый водород, а на третьем этапе — смесь углеводородов, которые можно использовать в дальнейшем.
Логическим продолжением тенденции максимальной экологизации производства стал отказ от использования в составе ПВХ стабилизаторов свинца. Напомним, что ПВХ без специальных пластифицирующих и стабилизирующих добавок не может использоваться как конструкционный материал. Именно благодаря стабилизаторам он противостоит таким неблагоприятным факторам, как температурные колебания, ультрафиолетовое излучение и т. п. Модификаторы делают его прочным и эластичным.
Здесь следует несколько слов сказать о том, что профили из ПВХ, в составе которых есть свинцовые стабилизаторы, абсолютно безопасны для потребителя, поскольку свинец здесь находится в связанном состоянии и не вступает во взаимодействие с окружающей средой. В данном случае речь идет о большей безопасности производства ПВХ и его рециклинга.
Не так давно ведущие представители европейской ПВХ-индустрии (производители профиля, стабилизаторов и т. д.) выступили с предложением полностью исключить использование свинца в промышленности. Эта инициатива была поддержана Комиссией по охране окружающей среды Евросоюза. В некоторых европейских странах, таких как Дания, Австрия и Швейцария, полный запрет на свинец уже введен.
Первыми весной 2004 года на новую бессвинцовую технологию производства ПВХ перешли все заводы международного концерна profine GmbH и входящей в него марки КБЕ — лидера рынка пластикового профиля для окон и дверей в России. Специалистами концерна была разработана рецептура на основе экологически безопасного соединения кальция-цинка (CaZn).
Стройиндустрия, как и промышленное производство, все в большей степени подвергается жесткому экологическому контролю со стороны специализированных институтов и со стороны общества. Поэтому перспектива дальнейшего развития предприятий связана с их способностью гибко реагировать на современные экологические требования.
Источник: www.wikistroi.ru