Различия процессов переноса тепла и вещества в зданиях

Основными физическими процессами, рассматриваемыми в строительной теплофизике, являются процессы переноса тепла, влаги и воздуха, происходящие в конструкциях и помещениях зданий.

Тепло является одним из видов энергии, а влага и воздух — конкретными видами вещества. Физический механизм переноса энергии и вещества различен. Для количественного изучения особенностей, вытекающих из этих различий, необходимо знать константы переноса, а также внешние движущие силы или термодинамические параметры, вызывающие перенос.

Эти параметры, определяющие направление и интенсивность процессов теплообмена и массообмена, называют потенциалами переноса.

Потенциалом переноса тепла является температура, а потенциалом переноса вещества, в частности влаги и воздуха, уместно считать энергию, отнесенную к единице массы; эту энергию часто выражают в размерности соответствующего вида давления. Так,, например, при изучении молекулярных процессов переноса влаги, диффундирующей преимущественно в парообразной фазе, рассматривается парциальное давление водяного пара, а при молярном переносе жидкой влаги или влажного воздуха — общее давление, вызываемое соответствующими причинами (например, силой ветра, тяжести и т. д.). Возникновение процессов переноса тепла и вещества (например, влаги) в конструкциях или воздушной среде помещений возможно только при разности температур или давлений в отдельных зонах или участках рассматриваемой материальной системы. Однако поскольку физический механизм переноса тепла в материальных средах и, в частности, в капиллярно-пористых строительных материалах, существенно отличен от процесса переноса вещества, конкретные условия возникновения, а также кинетика этих видов переноса также различны.

В металлах тепло переносится потоком электронов, и теплопроводность является функцией электропроводности. Наиболее электропроводные металлы в то же время и наиболее теплопроводны (медь, алюминий). В диэлектриках, где электропроводность отсутствует, перенос тепла осуществляется колебаниями атомов (или их групп) в структурной решетке материала.

Поскольку преобладающее большинство наиболее распространенных капиллярно-пористых строительных материалов (бетон, кирпич и т. д.) обладает ограниченной электропроводностью, основное значение для их теплопроводности имеют колебания атомных групп, происходящие в структурной решетке. В связи с этим, перенос энергии происходит и в идеально плотных материалах, и в капиллярно-пористых. Этот процесс не связан с проницаемостью материалов для потоков вещества, Перенос тепла в твердых материалах возникает при любой разности температур ?t, и количество переносимого тепла Q всегда пропорционально разности потенциалов независимо от того, велика или мала эта разность (т. е. Q~?t).

Механизм переноса массы вещества и, в частности, влаги или воздуха связан с проницаемостью и особенностями пористой структуры материала, внутри которого происходит процесс переноса; в материалах абсолютно плотных или отличающихся ультра-мелкой пористостью в поверхностном слое, непосредственно подвергающемся внешним воздействиям, возникают сопротивления, ограничивающие перенос вещества. Эти сопротивления при малой разности потенциалов переноса могут превышать энергетический уровень последней и тогда оказываются непреодолимыми. При этих условиях перенос массы сквозь достаточно плотный материал не возникает, однако такой перенос может происходить в некотором другом направлении, где сопротивления окажутся меньшими, чем энергия разности давлений. Так, например, поток холодного воздуха при ветре может обтекать здание, не проникая внутрь, поскольку сопротивление прониканию плотного отделочного слоя наружных стен весьма значительно. Лишь при наличии щелей и неплотностей этот поток проникает в помещение.

Аналогичные сопротивления потоку воздуха возникают во влажных капиллярно-пористых материалах, в порах которых вода удерживается силами связи влаги с материалом, например, силами адгезии или капиллярного давления. Энергетический уровень, необходимый для преодоления этих сопротивлений, может быть значительным, и при малой разности внешних потенциалов переноса будет превосходить энергию этой разности. В этом случае переноса массы вещества (например, воздуха, газа или водяного пара) через пористый материал происходить не будет; несмотря на наличие разности внешних потенциалов, масса вещества, содержащегося в капиллярно-пористой системе, будет находиться в равновесии.

Перенос массы, в частности, влаги возникнет только при разности давлений ?Р, превышающей давление Р_кр, равное энергетическому уровню сопротивления переносу вещества (на поверхности или внутри материала). Иначе говоря, количество переносимого вещества Q_м будет пропорционально разности между энергетическими уровнями внешнего потенциала и сопротивления переносу внутри системы, т. е. Q_м~(?Р—Р_кр). При разности потенциалов меньшей, чем Р_кр, количество вещества, которое могло бы быть перенесено в направлении, требующем преодоления соответствующего сопротивления, будет равно нулю. В этом случае конструкции здания из систем, обменивающихся с внешней средой энергией и массой, например, теплом и влагой (в термодинамике такие системы называются открытыми), превращаются в системы ограниченно закрытые, в которых процессы теплообмена происходят при любой разности температур, а процессы массообмена при ограниченной разности давлений могут быть погашены сопротивлениями переносу вещества.

С учетом этих энергетических ограничений, естественное течение физических процессов связано с переносом тепла или вещества от участков с более высокими потенциалами переноса к участкам с более низкими значениями этих термодинамических параметров. В результате такой направленности процессов происходит возможная (при имеющихся внутри конструкции или материальной среды сопротивлениях переносу) стабилизация значений температуры или давления на отдельных участках рассматриваемой системы. Система, в которой устанавливается постоянное распределение значений температур или давлений, приходит в состояние постоянного равновесного обмена теплом или веществом с окружающей средой. Установившийся процесс такого постоянного обмена называют стационарным. Если количественное выражение обмена равно нулю, говорят, что система находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой.

Поскольку процессы переноса тепла и вещества взаимно связаны между собой (например, при разности температур перемещения влаги и потоков воздуха происходят в направлении изменения температуры), возникает необходимость сопоставления величин потенциалов переноса энергии и массы в единой шкале. Любые процессы переноса требуют затраты энергии, а потому такой единой шкалой может быть только шкала энергетическая. Такой шкалой температуры является шкала Кельвина, нулевое значение которой совпадает с абсолютным нулем (—273,16°С), т. е. такой температурой, при которой происходит полное затухание энергии молекулярного движения в идеальной материальной среде (идеальном газе), а давление последнего становится равным нулю.

Используемое для косвенных измерений температуры физическое свойство термометрической среды (например, изменения объема ртути или давления газа) находится в определенной (чаще всего линейной) зависимости от энергетического уровня этой среды, а потому изменяется по простейшему закону вместе с изменениями теплового состояния. В этом случае температура является однозначной линейной функцией от энергетического уровня Р термометрической среды (рис. 1.1, а).

Каждый условный градус температурной шкалы Кельвина соответствует определенному изменению молекулярной энергии или давления.

Многие задачи из области теплообмена связаны с рассмотрением установившегося теплового состояния материальных систем или конструкций; при этом, количество тепла, переносимого в неизотермических условиях из более нагретой зоны конструкции в более охлажденную, пропорционально разности температур в рассматриваемых зонах.

Во всех случаях, когда при изучении процессов переноса тепла можно ограничиться рассмотрением разности температур, шкала Цельсия (°С) является столь же приемлемой, как и шкала Кельвина; так как градусы этих шкал равны одной и той же величине, значения разности температур не отличаются друг от друга. Следовательно, практической энергетической шкалой для процессов переноса тепла является температурная шкала, отражающая энергетический уровень или разность этих уровней в рассматриваемых материальных средах.

Для процессов переноса вещества (массы) наукой не установлено такой универсальной и точной шкалы потенциалов переноса, которая могла бы быть выражена градусами одинаковой величины, подобно тому, как это осуществлено в шкале температур. Например, любая практическая шкала потенциала переноса влаги должна зависеть от энергетического уровня связи влаги с поверхностью пор и капилляров материала, а следовательно, и от влагосодержания последнего. Между тем изменения этого энергетического уровня неравномерны на различных стадиях увлажнения и не могут быть выражены линейным путем, подобно тому, как выражается энергетический уровень термометрической среды в зависимости от температуры. Энергетический уровень связи влаги с материалом падает с увеличением влагосодержания (рис. 1.1, б) по нелинейной зависимости, различной для каждого вида материала; изменения этого уровня для воздушно-сухого материала связаны с его свойствами гигроскопичности (сорбции) и могут быть выражены лишь довольно сложной математической зависимостью.

В связи с этим осложняется задача разработки практических шкал потенциала переноса влаги, поскольку эти шкалы оказываются очень приближенными. Изучение энергетического уровня потенциалов переноса вещества в капиллярно-пористых материалах-может быть проведено только на основе глубокого обобщения особенностей поглощения ими влаги как в воздушно-сухом состоянии, так и на более высоких стадиях увлажнения.