Rozdział IV ZNISZCZENIA MROZOWE ZAWILGOCONYCH ŚCIAN. 1. Wstęp

Podobne dokumenty
Rozdział II LAMINARNY SPŁYW WARSTWY CIECZY PO POWIERZCHNI. 1. Wprowadzenie

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

ENERGETYKA PRZEPŁYWÓW JONOWYCH W TEORII GRADIENTOWEJ

Podstawy termodynamiki

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Krystalizacja. Zarodkowanie

1. BILANSOWANIE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

J. Szantyr - Wykład 3 Równowaga płynu

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Instrukcja do laboratorium z fizyki budowli.

WYKŁAD 12 ENTROPIA I NIERÓWNOŚĆ THERMODYNAMICZNA 1/10

J. Szantyr Wykład nr 27 Przepływy w kanałach otwartych I

Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Prowadzący. telefon PK: Pokój 210A (Katedra Biotechnologii i Chemii Fizycznej C-5)

Zasady zachowania, równanie Naviera-Stokesa. Mariusz Adamski

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

powierzchnia rozdziału - dwie fazy ciekłe - jedna faza gazowa - dwa składniki

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Stany równowagi i zjawiska transportu w układach termodynamicznych

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA. Poszukiwanie optymalnej średnicy rurociągu oraz grubości izolacji

Termodynamika materiałów

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

ZALEŻNOŚĆ CIŚNIENIA PARY NASYCONEJ WODY OD TEM- PERATURY. WYZNACZANIE MOLOWEGO CIEPŁA PARO- WANIA

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Wykład Temperatura termodynamiczna 6.4 Nierówno

KOMPENDIUM WIEDZY. Opracowanie: BuildDesk Polska CHARAKTERYSTYKA ENERGETYCZNA BUDYNKÓW I ŚWIADECTWA ENERGETYCZNE NOWE PRZEPISY.

Termodynamika techniczna i chemiczna, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

K raków 26 ma rca 2011 r.

Krótki przegląd termodynamiki

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

2. Zapoczątkowanie kawitacji. - formy przejściowe. - spadek sprawności maszyn przepływowych

Miejsce biofizyki we współczesnej nauce. Obszary zainteresowania biofizyki. - Powrót do współczesności. - obiekty mikroświata.

Nauka o Materiałach. Wykład VIII. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste. Jerzy Lis

Laboratorium komputerowe z wybranych zagadnień mechaniki płynów

MECHANIKA PŁYNÓW Płyn

MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

WYKŁAD 3 OGÓLNE UJĘCIE ZASAD ZACHOWANIA W MECHANICE PŁYNÓW. ZASADA ZACHOWANIA MASY. 1/15

gazów lub cieczy, wywołanym bądź różnicą gęstości (różnicą temperatur), bądź przez wymuszenie czynnikami zewnętrznymi.

wymiana energii ciepła

Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

Przemiany termodynamiczne

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

TERMODYNAMIKA PROCESOWA

Wykład 3. Fizykochemia biopolimerów- wykład 3. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

WNIKANIE CIEPŁA PRZY WRZENIU CIECZY

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

J. Szantyr Wykład nr 19 Warstwy przyścienne i ślady 1

FIZYKA KLASA 7 Rozkład materiału dla klasy 7 szkoły podstawowej (2 godz. w cyklu nauczania)

Wzrost fazy krystalicznej

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Wykład 2. Przykład zastosowania teorii prawdopodobieństwa: procesy stochastyczne (Markova)

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

Przedmiot: Chemia budowlana Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu

Przegląd termodynamiki II

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

Chemia Fizyczna Technologia Chemiczna II rok Wykład 1. Kierownik przedmiotu: Dr hab. inż. Wojciech Chrzanowski

Podstawy termodynamiki

Aerodynamika i mechanika lotu

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy II gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

BADANIE WYMIENNIKA CIEPŁA TYPU RURA W RURZE

Para wodna najczęściej jest produkowana w warunkach stałego ciśnienia.

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Wykład Praca (1.1) c Całka liniowa definiuje pracę wykonaną w kierunku działania siły. Reinhard Kulessa 1

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

WYMAGANIA EDUKACYJNE FIZYKA ROK SZKOLNY 2017/ ) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

Zastosowanie programu DICTRA do symulacji numerycznej przemian fazowych w stopach technicznych kontrolowanych procesem dyfuzji" Roman Kuziak

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

Zadania treningowe na kolokwium

J. Szantyr Wykład nr 26 Przepływy w przewodach zamkniętych II

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

TRANSPORT NIEELEKTROLITÓW PRZEZ BŁONY WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZEPUSZCZALNOŚCI

[ ] ρ m. Wykłady z Hydrauliki - dr inż. Paweł Zawadzki, KIWIS WYKŁAD WPROWADZENIE 1.1. Definicje wstępne

dn dt C= d ( pv ) = d dt dt (nrt )= kt Przepływ gazu Pompowanie przez przewód o przewodności G zbiornik przewód pompa C A , p 1 , S , p 2 , S E C B

XXXI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP WSTĘPNY Zadanie teoretyczne

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Podstawowe definicje

3. Równania konstytutywne

Finanse i Rachunkowość studia niestacjonarne/stacjonarne Model Przepływów Międzygałęziowych

Laboratorium komputerowe z wybranych zagadnień mechaniki płynów

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Mechaniczny Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

3 Potencjały termodynamiczne i transformacja Legendre a

Zasady termodynamiki

wrzenie - np.: kotły parowe, wytwornice pary, chłodziarki parowe, chłodzenie (np. reaktory jądrowe, silniki rakietowe, magnesy nadprzewodzące)

Politechnika Poznańska

WYKŁAD 5 RÓWNANIE EULERA I JEGO CAŁKI PIERWSZE 1/14

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Transkrypt:

4 Rozdział IV ZNISZCZENIA MROZOWE ZAWILGOCONYCH ŚCIAN. Wstęp Panuje uzasadniony pogląd, iż z oceną zniszczeń mocno zawilgoconych budynków należy zaczekać do najbliższej wiosny, aż ujawnią się szkody wywołane przez zamarzanie wody porowej w ścianach. Istotnie, z pozoru wyschnięte ściany i tynki zalanych budynków na wiosnę nadają się najczęściej ponownie do suszenia. Dodatkowo ujawniają się spękania, jako skumulowany efekt rozrostu kryształów lodu w sieci kapilar oraz wywieranego przez nie nacisku na ścianki porów i kapilar. O intensywności tego procesu decyduje też duża różnica temperatur między wnętrzem budynku a otoczeniem. Ta różnica szczególnie znaczna w zimie intensyfikuje przepływy wilgoci w ścianie. Największe zniszczenia mróz wywołuje w zawilgoconych zewnętrznych warstwach tynków na ich załamaniach. Współobecność dużego zawilgocenia z niska temperaturą w przypowierzchniowych warstwach tynków jest wystarczającym warunkiem, iż po kilku zimach dojdzie tam do zniszczenia mrozowego. Najczęściej te warunki zachodzą w występach gzymsów, zwieńczeń i odsłoniętych uskokach ściany. miejsca zniszczeń mrozowych Rys.. Obszary zniszczeń mrozowych poziom stałego zawilgocenia Naszkicowany tutaj problem prowadzi do złożonego opisu termomechanicznego, który przedstawimy w dalszej części pracy.

4. Przemiana woda lód w kapilarze Popowodziowe zawilgocenia ścian charakteryzuje się pełnym wypełnieniem sieci kapilar cieczą. Jeżeli wystąpią wówczas znaczne spadki temperatury (poniżej C), to dochodzi do tworzenia się bryłek lodu w sieci kapilar. Proces ten ma złożony przebieg, ponieważ warstewki cieczy w bezpośrednim sąsiedztwie ścianek kapilar nie będą brały udziału w przemianie, z uwagi na silne i dosyć stabilne powiązanie z fazą stałą. Do przemiany dojdzie w środku kapilary. Powstające wówczas kryształy lodu zarodki fazy stałej będą posiadały naturalną tendencję do łączenia się, gdyż prowadzi to do obniżenia energii wewnętrznej układu. Na przeszkodzie tego spontanicznego procesu stoją ścianki kapilary, które stanowią ograniczenie dla swobodnego wzrostu kryształów lodu. Od ścianek kapilar oddzielają je zarówno warstwy zaadsorbowanej na nich cieczy jak i warstewki cieczy w otoczeniu kryształów lodu. Warstewki tego quasi ciekłego otoczenia kryształów lodu odgrywają istotną rolę w rozroście kryształów lodu w sieci kapilar. Grubość tej warstewki (h) maleje od A o w temperaturze T < C do 5 A o w temperaturze 3 C (rys. ). h (Å) h lód 5 +4 - -3 T (ºC) Rys.. Zależność grubości quasi-ciekłego otoczenia lodu od temperatury Warstewki te z jednej strony stanowią obszar bezpośredniej ekspansji powstającego kryształu lodu, z drugiej zaś pozwalają na wzajemne przemieszczania się kryształów oraz cieczy wypełniającej kapilary. W miarę wzrostu kryształów, aż do zapełnienia całego przekroju kapilary, warstwy te biorą również udział w naciskach na ścianki kapilar. Wielkość występujących wówczas ciśnień we wnętrzu kryształów lodu sugeruje, iż dochodzi w nim do

43 wewnętrznej przebudowy kryształu, kiedy to odmienna lodu I przechodzi w lód III. Główne problemy, jakie pojawiają się przy opisach przemiany wody w lód wynikają z wpływu tego procesu na trwałość muru oraz potrzeby brania pod uwagę bardzo intensywnych wzajemnych oddziaływań wilgoci i lodu na szkielet, jakie występują w trakcie trwania przemiany fazowej. Podobne problemy pojawiają się z powodu współistnienia różnych faz wilgoci, przepływów ciepła i innych składników opisywanego zjawiska, a w tym wilgoci zaabsorbowanej na ściankach kapilar, pary wodnej i dyfundujących kryształów lodu. W niniejszej pracy zostały przyjęte następujące założenia przy opisie przemiany wody w lód: - przyjmujemy wieloskładnikowy ośrodek ciągły, w którym wyróżniamy szkielet () o gęstości ρ, wilgoć () o gęstości ρ i lód () o gęstości ρ wypełniający kapilary szkieletu, - w trakcie obniżania temperatury nastąpi oddziaływanie pomiędzy tworzącym się lodem, wodą a ścianką materiału kapilarno-porowatego. Rezultatem takich założeń będzie relacja, która połączy promień kapilary R z temperaturą zamarzania wody w jej wnętrzu T i napięciem powierzchniowym σ kσ R = (.) T Zależność temperatury zamarzania wody od promienia kapilar przedstawiono na rysunku 3. Wynika z niego, iż w cienkich kapilarach woda zamarza w coraz niższych temperaturach. R [m] R R grube kapilary R > R -4 makro-kapilary mezo-kapilary mikro-kapilary lód -6 T [ o C] Rys. 3. Zależność temperatury przemiany woda lód od promienia kapilary

44 Wartość stałej k uzyskamy z połączenia dwóch prostych zależności fizycznych, a mianowicie: - warunku określającego granicę fazową wody i lodu typu I w przedziale temperatur C<T< C; ma on postać p = ( T / k ) co wynika z diagramu Piscoriusa przedstawionego na rysunku 4. p [kg/cm ] VII VI 7 45 II 3 4 V III 5 6 ciecz,6 lód I gaz - T [ o C] Rys. 4. Diagram fazowy wody - rozrastające się w kapilarze kryształy lodu upraszczająco traktujemy jako kule wypełniające całą kapilarę. Idealizując, otrzymamy wzór pozwalający na ocenę stanu naprężeń we wnętrzu kryształu w zależności od napięcia powierzchniowego σ i promienia kapilary R σ p = (.) R co obrazuje rysunek 5. Łącząc podane zależności otrzymamy poszukiwany wzór (.) łączący promień kapilary R z temperaturą powstawania w niej lodu.

45 monomolekularna warstwa cieczy h σ h σ p σ p p < p σ x kryształ lodu R > R R R Rys. 5. Oddziaływanie kryształów lodu ze ścianką kapilary 3. Bilanse procesu Analityczne ujęcie procesu przemiany fazowej wody w lód w sieci kapilar poprzedzone być musi ogólnym opisem wymiany masy, pędu i energii w wieloskładnikowym ośrodku ciągłym modelującym ten proces. W pierwszej kolejności należy podać parcjalne i globalne bilanse masy, pędu, energii i entropii w ośrodku wieloskładnikowym. Wydzielamy przy tym trzy składniki: wilgoć o gęstości ρ, lód o gęstości ρ i szkielet o gęstości ρ. Między tymi składnikami, a głównie cieczą i lodem dochodzi do wymiany masy, pędu i energii. Układ omawianych tu bilansów ma postać:. Parcjalnych bilansów masy ρ t ρ t ρ t = ρ = ρ R R div div ( ρ v ) ( ρ v ) = ρ = const - szkielet. - wilgoć w kapilarach, - kryształy lodu w kapilarach, (3.)

46 a po wprowadzeniu stężenia c = ρ /ρ równania bilansów zapiszemy w postaci ( ρ v ) ρ = ρr div t gdzie ρr lub dc ρ = ρr div( j ) dt j = ρ u = v dλ dt (3. ) gdzie ρ =. Zasady zachowania masy ρ ρ + div t ( ρw) = (3.), ρw = ρ v, v = w + u, u, R + R =, =,, 3. Bilansu pędu (w postaci klasycznej) dw ρ = ρf + div( σ) dt (3.3) w którym przyjęto dodatkowo, że ( σ) = ( σ = ) w ρf σ div σ (3.4) W równaniu pędu zostały już zawarte uproszczenia związane ze statycznym ujęciem problemu. Mamy tu różne od zera stany naprężeń parcjalnych zrównoważone w każdej cząstce ośrodka. 4. Bilans energii, z którego wyeliminowano energię kinetyczną ρ du dt = div ( q) + σ: d + trσ div ρ U ρ u (3.5) Po wykorzystaniu bilansów masy otrzymamy ostateczną postać bilansu energii

47 du ρ dt dc ρ M ρr M div( q ρ u dt = σ : d + ) Analizując składniki grad M (3.6) ρr M uzyskamy formułę, która w sposób jawny określa nam ciepło przemiany fazowej zależnej od tworzących się brył lodowych w sieciach kapilar i porów materiału. Ma ona postać ρr = ρr M ρr = ρr ( M M ) (3.7) stąd wnosimy, iż źródło ciepła przemiany jest proporcjonalne do źródła masy. 5. Nierówność wzrostu entropii ρ ds dt ρr q div T T (3.8) Nierówność wzrostu entropii łącznie z pozostałymi bilansami prowadzi po uproszczeniach do nierówności rezydualnej grad( Θ ) ρu& + ρs& Θ σ : ε& + ρc& M q j grad( M ) (3.9) T która powinna być spełniona dla każdej historii procesu (σ, ε, c ). Wprowadzone tu pole Θ jest przyrostem temperatur, a T temperaturą stanu równowagowego od którego rozpoczyna się przemiana woda lód. W przytoczonych równaniach bilansów masy, pędu i energii symbolami, c, v, w, u,r, ρ u, ρf, σ, d, ρu, ρu = ρ U, ρr, q, Θ = T T ρ, M oznaczono kolejno: gęstość składnika, jego koncentrację, prędkość komponencjalną, barycentryczną i dyfuzyjną, źródło i strumień masy, siłę masową, tensor naprężeń parcjalnych, tensor prędkości deformacji, energię wewnętrzną składnika i całego ośrodka, źródło i strumień ciepła, temperaturę i jej przyrost oraz potencjał chemiczny dla =,,. Oprócz energii wewnętrznej wprowadzimy do rozważań entalpię swobodną (potencjał Gibbsa) ρg. Z potencjału Gibbsa otrzymamy w szczególności klasyczny wzór Clapeyrona dotyczący ciepła przemiany fazowej. Entalpię swobodną ρg z energią wewnętrzną ρu łączy zależność

48 ρ U = ρg + ρsθ + σ ijεij ρu& = ρg& + ρsθ + σ ijεij (3.) z której otrzymamy równoważną do (3.9) postać nierówności rezydualnej grad θ ( M ) q ρg& ρs & θ σ: & ε + ρc& M j grad (3.) T 4. Termomechanika przemiany fazowej woda lód Podana w poprzednim punkcie nierówność rezydualna wynikająca z entalpii swobodnej pozwoli nam na pełniejsze ujęcie procesów przemiany woda lód w sieci kapilar. Z rozważań tych wynika, jako przypadek szczególny, wzór Clapeyrona na ciepło przemiany fazowej. Rozważania rozpoczniemy od analizy wzajemnych oddziaływań w układzie składającym się z dwóch różnych faz. Założymy, iż na początku procesu analizowany był układ wieloskładnikowy izolowany. W chwili t t rozpoczął się w tym układzie proces przemiany fazowej. Tutaj fazą będziemy nazywali obszary jednorodne (homogeniczne) w układzie niejednorodnym. W wyniku zachodzącego procesu powstają dwa podukłady znajdujące się w różnych fazach. W dalszym ciągu jednak każda z faz będzie wieloskładnikowa. W naszym przypadku w fazie () ciekłej będzie się znajdowała wieloskładnikowa ciecz w kapilarze, zaś w fazie () powstała z niej faza stała, czyli kryształy lodu. Każdy z podukładów spełnia bilanse procesu i wynikającą z nich nierówność rezydualną wypisaną dla entalpii swobodnej obu faz ρ G i ρ G ρ G& + ρ G& ρs θ& : ε ( ρ c& M ρr M j M ) ρs θ& σ& σ& + ( ρ c& M ρr M j M ) ( M grad ) M : ε + + q θ T q θ T - ciecz w kapilarze - faza stała (4.)

49 Analizować będziemy teraz stany równowagowe dla każdej z faz. Będą one zachodziły kiedy znikną przepływy masy i ciepła oraz źródła masy w każdej z faz, czyli = M =, Θ =, ρr - w cieczy = M =, Θ =, ρr - w fazie stałej (4.) Warunki równowagi obu faz G = G prowadzą do równania G & = G&. W procesie równowagowym z nierówności rezydualnych otrzymamy równości, które prowadzą do relacji & σ & (4.3) ρs Θ + & : ε + ρ c& M = ρs Θ + σ& : ε + ρ c& M stanowiącej podstawową zależność, z której wyznaczamy warunki rozgraniczenia fazy stałej i cieczy. W przypadku szczególnym, kiedy w trakcie procesu przemiany stężenia są & stałe c& = i c = zaś naprężenia traktować będziemy jako ciśnienia hydrostatyczne P = P + P σ ( + P ) I, σ = ( P )I σ = P σ + Pσ (4.4) otrzymamy stosunkowo prosty opis przemiany wody w lód w sieci kapilar który rozwinęli Haüpl i Xu. We wzorach tych P jest ciśnieniem atmosferycznym, P σ - ciśnieniem w kapilarze w otoczeniu kryształu lodu a I = (δ ij ) tensorem jednostkowym. W wyniku przyjętych założeń przyrost entalpii w cieczy G ma postać G = G dp ( T,P,P ) dg = S dt + ( dp ) σ + ρ σ (4.5) stąd T P G = G S ( T T ) c T ln ( T T ) + σ (4.6) T ρ W zależności tej G, S, T = 73.5 K, c, ρ są kolejno początkowymi wartościami entalpii swobodnej, entropii i temperatury wody, ciepłem właściwym i gęstością wody.

5 Analogiczne wyrażenie na entalpię swobodną lodu wyliczono z zależności G = G = G ( P,T ) S = T c ( T T ) + c ( T T ) c T ln ( T T ) T (4.7) Przyrównując do siebie oba potencjały G = G otrzymamy po przekształceniach warunek przemiany fazowej wody w lód w sieci kapilar P ρ + σ = ( S S )( T T ) ( c c )( T T ) T c ( c c + c T ) T ln ( T T ) T + (4.8) przy czym (S S )T jest tu entalpią przemiany fazowej wody swobodnej. P σ o T> C T P σ (C } P σ (C ) P σ (T) P σ (C max(t)) P σ (T) T C C (T) C s C o T< C C max(t) Rys. 6. Zależność P P ( ) σ = σ T,c

5 Na rysunku 6 przedstawiono graficznie zależność między ciśnieniem kapilarnym P σ, temperaturą T a objętościowym udziałem wody w kapilarze. Wykres ten wynika z warunku określającego przemianę fazową woda lód w kapilarze. Na podstawie przytoczonego tu warunku przemiany fazowej przedstawionego w pracach Haüpla i Xu określimy kinetykę narastania lodu w czasie przemarzania ścian. W zakończeniu tych rozważań przekonamy się, iż z warunków równowagi faz G = G wynika w szczególności klasyczny wzór na utajone ciepło przemiany fazowej. A mianowicie dla procesów równowagowych w układzie dwóch faz ciecz () i lód () zachodzą równości G & = G& ρs Θ& σ & : = ρs θ& & : (4.9) ε σ ε stąd dla σ = p E i σ& : ε = pv & i σ& : ε = p& V otrzymamy ρs p& ρ ( S S ) θ & + pv & = ρs θ & + pv & = (4.) Θ V V Wprowadzając ciepło przemiany fazowej L = ρ(s S )Θ, gdzie θ = T T jest przyrostem temperatury w jakiej zachodzi przemiana, otrzymamy p& L = θ & Θ V V ( ) lub dp = dθ L Θ V V ( ) (4.) klasyczny wzór Clausiusa Clapeyrona dotyczący utajonego ciepła przemiany fazowej woda lód. Warto tu zauważyć, iż wzór ten dotyczy przemiany poza siecią kapilar. Natomiast w sieci kapilar obowiązują bardziej złożone zależności podane wcześniej. Wszystkie te wzory odnoszą się do bardzo uproszczonych równowagowych stanów współistniejących faz. Ponadto w fazie stałej (lodzie) przyjmuje się upraszczająco, iż stan naprężeń opisuje tylko ciśnienie hydrostatyczne. 5. Zadanie początkowo-brzegowe Podamy teraz układ równań oraz warunki brzegowo-początkowe dotyczące przemiany wody w lód w materiale budowlanym. Równania te wynikają z bilansów masy i energii. Pierwsze z tych równań wynika ze zsumowania

5 parcjalnych bilansów masy zaś drugie jest równaniem przewodnictwa cieplnego w którym uwzględniono ciepło przemiany fazowej Równania te po przekształceniach mają postać (por.[6]) a a c& c& + a + a Θ & = div b [ grad Θ + b grad c ] Θ & = div b [ grad Θ + b grad c ] macierze wskaźników mają formę (5.) a a b b a a b b = ρ( M = ( ρ M ) c ρ Θ ρc ν M M D + D Θ Θ M ( λ + D ) Θ ) ( D M c ( D + D M c M ) c ) (5.) Otrzymany układ równań zawiera równania transportu ciepła i dyfuzji masy. Warunki początkowo-brzegowe sprowadzają się do znajomości początkowych rozkładów koncentracji wilgoci i przyrostu temperatury oraz strumienia wilgoci i strumienia ciepła na brzegu materiału. Mają one odpowiednio postać: - warunki brzegowe c Θ j q A = c A A A A 4 3 = Θ = j = q A A A (5.3) - warunki początkowe c ( t = ) = c Θ( t = ) = Θ (5.4)

53 W podanym układzie równań transport wilgoci i lodu oraz ciepła w sieci kapilar został sprowadzony do dwóch sprzężonych i nieliniowych równań. W pierwszym występuje ruch wilgoci, zaś przepływ lodu uzależniono od zmian temperatury. W równaniach dyfuzji pojawia się wtedy temperatura. Natomiast w klasycznym równaniu przewodnictwa ciepła pojawia się zależność źródła ciepła od różnicy potencjałów chemicznych obu faz. Wyszczególnione powiązania przepływów ciepła i masy decydują o specyfice analitycznych ujęć przemian fazowych w typowych budowlanych materiałach o strukturze kapilarno porowatej. 6. Funkcjonał zadania uproszczonego Nieliniowa postać równań (5.) nie zachęca do bezpośredniego ich całkowania. W tej sytuacji sformułujemy równoważne ujęcie wariacyjne, przy założeniu iż polami niezależnymi będzie potencjał chemiczny fazy ciekłej M oraz temperatura. Natomiast pomijamy strumień lodu j, ponadto zakładamy że stężenia wilgoci i lodu spełniają warunek c & + c& =. W efekcie przepływy wilgoci będą stacjonarne a ciepła niestacjonarne. Dla przytoczonych tu założeń upraszczających otrzymamy funkcjonał postaci gdzie F( M, Θ ) = { j grad M + ρ[ H R ( M M ) + Θ( + )H Θ] Θ + T c V + Q grad Θ }dv Q = H T c q v A ( j M v + QΘ ) nda (6.), H jest funkcją Heaviside a, a f f = f ( t τ) f ( τ) dτ t. Podany tu funkcjonał stanowi podstawę do konstrukcji przybliżonych metod wyznaczania strefy przemarzania ścian. 7. Wyznaczanie zasięgu lodu w ścianach Podane w poprzednich punktach sprzężone równania przepływu ciepła i wilgoci w trakcie przemiany wody w lód w sieci kapilar należy uzupełnić o kryterium przemiany fazowej. Otrzymamy wówczas złożone, nieliniowe zadanie brzegowe w którym dodatkowo nie są określone granice rozdziału faz tj. lodu i wody. W tej sytuacji rozwiązań należy szukać na drodze numerycznej. W taki sposób postąpił też Yugong Xu, w swojej dysertacji doktorskiej przedstawionej w 998 roku w T.U. Dresden, który na podstawie

54 wcześniejszych prac P.Haüpla z tejże uczelni uzyskał rozwiązania numeryczne tej problematyki. Wyniki te uzyskano dla ściany z gazobetonu o grubości cm. Warto jednak nadmienić, iż podobne rozkłady porów posiada zwietrzały piaskowiec, występujący w oblicówkach wielu zabytków. Stąd też podane wyniki obliczeń (przykład i ) posiadają jakościowe znaczenie przy szacowaniu zasięgu zniszczeń kamiennych oblicówek zabytków. Przykład I. Ściana z zwietrzałego piaskowca lub gazobetonu o grubości cm poddana została działaniu temperatury T = -5 C przez 5 dni ( godzin), a następnie T = +5 C przez godzin. Powierzchnie zewnętrzne były izolowane, początkowe stężenie objętościowe wilgoci C = 4%. Na diagramach przedstawiono narastanie wilgoci, lodu i zmiany temperatury jako funkcje położenia i czasu grubość (m) grubość (m),,8,6,4,,,8,6,4,,,,8,6,4,,,8,6,4,, 4 4 48 48 7 7 96 44 czas (h) 96 44 czas (h) 68 68 zawartość wody 9 9-5% 5-4% 4-5% 5-55% 6 zawartość lodu -5% 5-4% 4-5% 5-55% 6 4 4

55 grubość (m),,8,6,4,,,8 temperatura ( C) - -4-4 - - + + +4,6,4 +4 +, > +, 4 48 7 96 44 68 9 6 4 czas (h) Przykład II. Ściana z piaskowca lub gazobetonu o grubości cm poddana działaniu temperatury T = -5 C przez 5 dni (36 godzin), a następnie T = +5 C przez 36 godzin. Powierzchnie zewnętrzne były izolowane, początkowe stężenie objętościowe wilgoci C = 4%. Na diagramach przedstawiono narastanie wilgoci, lodu i zmiany temperatury jako funkcje położenia i czasu,,8 grubość (m),6,4,,,8,6,4, zawartość wody 6 % 6 4 % 4 44 % > 44 %, 6 8 4 3 36 4 czas (h) 48 54 6 66 7

56,,8,6 zawartość lodu grubość (m),4,,,8,6,4-4 % 4-4 % 4-3 % 3-4 %,, 6 8 4 3 36 4 czas (h) 48 54 6 66 7, grubość (m),8,6,4,,,8,6,4 temperatura ( C) -5,5-4,5-4,5 -,5 -,5 -,5 -,5 +,5 +,5 +4,5 > +4,5,, 6 8 4 3 36 4 czas (h) 48 54 6 66 7 Przykład III. Ściana z zwietrzałego piaskowca lub gazobetonu jak w przykładzie poprzednim poddana działaniu temperatury wewnętrznej stałej T = 5 C przez dni oraz zewnętrznej, najpierw T = -5 C przez 5 dni a potem T = 5 C. Diagramy przedstawiają kolejno rozkłady stężeń wilgoci, lodu i temperatury w funkcji położenia i czasu

57 grubość (m) grubość (m),,8,6,4,,,8,6,4,,,,8,6,4,,,8,6,4,, 4 4 48 48 7 7 96 96 44 czas (h) 44 czas (h) 68 68 zawartość wody 9 9-5% 5-5% 5-4% 4-5% 5-55% 6 zawartość lodu - 5% 5-4% 4-5% 5-55% 6 4 4 grubość (m),,8,6,4,,,8,6,4,, 4 48 7 96 44 czas (h) 68 temperatura ( C) -8-6 9-6 - - +6 +6 +4 +4 + > + 6 4

58 8. Uwagi końcowe Złożoność równań opisujących proces narastania lodu w sieci kapilar nie zachęca do ich stosowania, tym bardziej, że pominięto w nich także pełne opisy kinetyki narastania kryształów lodu w sieci kapilar. Ponadto zasygnalizowano tylko wpływ ciśnienia rozklinowującego na przebieg przemiany wody w lód. Przytoczone uwagi uzasadniają konieczność dalszych badań tego złożonego procesu fizycznego, mającego podstawowe znaczenie dla oceny trwałości wypraw i tynków zabytkowych budowli. W przytoczonych rozważaniach nic się nie mówi o mechanicznym aspekcie procesu narastania lodu w sieci kapilar. Ten aspekt problemu poruszony zostanie w następnym rozdziale, gdzie omówimy warstwowy mechanizm zniszczeń tynków. zniszczenia mrozowe obszar zniszczeń mrozowych Rys. 7. Prudnik. Dom Tkaczy oraz kamieniczka rynkowa LITERATURA [] BIOT M.A.: Variational principles in heat transfer, Oxford University Press, 97 [] BIOT M.A.: Variational principles in irreversible thermodynamics with aplication to viscoelasticity, Phys.Rev., Vol.97, 463-47, 955 [3] HÄUPL P, STOOP H.: Feuchtetransport im Baustoffen und Bauwerksteilen, Diss.B, T.U. Dresden 987 [4] JĘDRZEJCZYK-KUBIK J., WYRWAŁ J.: Zagadnienia fizyki matematycznej, Skrypt uczelniany WSI w Opolu nr4, Opole, 988 [5] KLAMUT J., DURCZEWSKI K., SZNAJD J.: Wstęp do fizyki przejść fazowych, Ossolineum, 979

59 [6] KUBIK J.: Transition from water to ice in building materials, IX Bauklima Symp., 3-37, Dresden 994 [7] KUBIK J.: Thermodiffusion flows in a solid with a dominant constituent, Ruhr-Uni IfM 44, Bochum 985 [8] NEISS J.: Numerische Simulation des Wärme-und Feuchtetransport und Eisbildung in Böden, Fortschritt-Berichte der VDI Zeitschriften, Reihe 3, 73, München 98 [9] STEFAŃSKI A.: Przewodność cieplna materiałów budowlanych, PWN, Poznań, 965 [] XU YUGONG, Numerische Simulation der Eisbildung in Kapillarporösen Baustoffen Diss.A. T.U. Dresden