Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия в строительстве. Учебное пособие
.pdf
Л.С. Григорьева
ХИМИЯ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Учебное пособие
ISBN 978-5-7264-3434-6
Москва 2024
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024
© Оформление. ООО Компания
«Ай Пи Ар Медиа», 2024
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 69:53
ББК 38:24
Г83
Рецензенты:
доктор химических наук, профессор А.А. Аскадский,
заведующий лабораторией ИНЭОС РАН;
кандидат химических наук, профессор А.М. Орлова,
заведующая кафедрой ТКМиПХ НИУ МГСУ
Григорьева, Лариса Станиславовна.
Г83 Химия в строительстве [Электронный ресурс] : учебное пособие /
Л.С. Григорьева ; Министерство науки и высшего образования Российской
Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный
строительный университет. — Электрон. дан. и прогр. (5 Мб). — Москва :
Издательство МИСИ
– МГСУ, 2024. — URL: http://www.iprbookshop.ru/. — Режим
доступа : для зарегистрированных пользователей. — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-3434-6
Представлены разделы: химическая термодинамика, поверхностные явления, коррозия
строительных материалов, полимеры в строительстве. Теоретический материал сопровождается контрольными вопросами.
Для обучающихся по направлениям подготовки «Строительство», профиль
«Промышленное и гражданское строительство», «Строительство уникальных зданий и сооружений».
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 20
© Оформление. ООО Компания
«Ай Пи Ар Медиа», 2024
24
Учебное электронное издание
Григорьева Лариса Станиславовна
ХИМИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Учебное пособие
Редактор Е.А. Копылова
Технический редактор А.В. Кузнецова
Корректор М.А. Джалая
Компьютерная правка и верстка С.С. Сизиумовой
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS5.5, ПО Adobe Acrobat
Объем данных 5 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Национальный исследовательский Московский
государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
Издательство МИСИ
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»
8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)
E-mail: sales@iprmedia.ru
– МГСУ.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ................................................................ 5
1.1. Первое начало термодинамики. Закон Гесса ........................................... 5
1.2. Второе начало термодинамики .............................................................. 21
1.3. Химическая кинетика и равновесие ...................................................... 30
Вопросы к главе 1 ......................................................................................... 37
2. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ .............. 39
2.1. Классификация дисперсных систем ...................................................... 39
2.2. Поверхностные явления ......................................................................... 41
2.3. Устойчивость дисперсных систем ......................................................... 59
2.4. Микрогетерогенные системы ................................................................ 66
Вопросы к главе 2 ......................................................................................... 71
3. КОРРОЗИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ..................................... 72
3.1. Коррозия металлов. Основные понятия ................................................ 72
3.2. Коррозионные процессы неметаллических материалов ..................... 106
3.3. Методы защиты от коррозии ............................................................... 130
Вопросы к главе 3 ....................................................................................... 149
4. ПОЛИМЕРЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ....................................................... 150
4.1. Введение в химию полимеров ............................................................. 150
4.2. Фазовые состояния и фазовые переходы полимеров .......................... 157
4.3. Деструкция полимеров ........................................................................ 165
Вопросы к главе 4 ....................................................................................... 171
Библиографический список ........................................................................ 173
4
1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
1.1. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЗАКОН ГЕССА
Современное строительство использует великое множество самых
разнообразных материалов, из которых при помощи определенных
технологий и возводится 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.
Теоретическим фундаментом таких процессов прежде всего являются основные положения термодинамики и, в частности, химической
термодинамики.
Термодинамика как наука сформировалась в первой половине XIX в.
Ее основателями считаются английские физики Уильям Томсон, которому было пожаловано звание лорда Кельвина Ларгского из Айршира,
Джеймс Прескотт Джоуль и немецкий физик Рудольф Юлиус Иммануил Клаузиус. Этими учеными установлены основные понятия и термины данной науки.
В самом широком смысле термодинамика ― это наука, которая
изучает законы взаимного превращения различных видов энергии.
Методы термодинамики используются в самых различных областях знаний. В зависимости от того, в какой области рассматриваются
превращения энергии, различают общую, техническую и химическую
термодинамику. 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 в себя изучение превращений энергии во всех ее формах.
5
Химическая термодинамика изучает:
1) соотношения между теплотой и другими формами энергии в
процессе химических реакций;
2) возможность самопроизвольного протекания химических реак-
ций в данных условиях;
3) условия, при которых реакция находится в состоянии химиче-
ского равновесия.
Теоретической основой химической термодинамики являются основные законы природы ― первое и второе начала термодинамики.
Объектом исследования термодинамики является система, которая
представляет собой тело или группу тел, мысленно выделяемых из окружающей среды и имеющих границу раздела со средой.
Термодинамические системы могут быть следующими.
1. Гомогенная ― система, в которой каждое ее свойство (параметр)
имеет одно и то же значение во всех точках объема или меняется плавно от точки к точке.
2. Гетерогенная ― такая система, которая состоит из нескольких
гомогенных систем, отделенных друг от друга поверхностью раздела
фаз, на которой свойства меняются скачком.
3. Фаза ― гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковые свойства во всех точках всего объема, или совокупность отдельных гомогенных частей с одинаковыми свойствами.
4. Изолированная ― система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией в форме работы или теплоты. В качестве примера можно привести герметически замкнутый
реакционный сосуд, стенки которого теплоизолированы. Изолированная система ― научная абстракция.
5. Закрытая — система, которая не обменивается с окружающей
средой веществом, идет обмен только энергией. Примером может служить герметически замкнутый реакционный сосуд с теплопроводящими стенками или цилиндр с хорошо притертым поршнем, в котором
содержится определенное количество вещества.
Различают два типа закрытых систем: адиабатически изолирован-
ные и диатермически изолированные.
Адиабатически изолированные системы могут обмениваться с
окружающей средой (телами) энергией только в форме работы.
Пример ― пар в теплоизолированном цилиндре, снабженным подвижным поршнем.
6
Диатермически изолированные системы могут обмениваться с окружающей средой (телами) энергией только в форме теплоты. Пример ―
пар, заключенный в герметическом сосуде с жесткими, хорошо проводящими теплоту стенками.
Открытая ― это система, которая обменивается веществом и
энергией с окружающей средой.
Уравнения термодинамики применимы только к макросистемам, а
не к отдельным частицам или молекулам.
Вещества, входящие в состав фазы, называются компонентами, или
составными частями системы.
Состояние системы в каждый момент времени характеризуют параметры состояния.
Внутренние параметры характеризуют внутреннее состояние сис-
темы (давление, температура, объем и др.).
Внешние параметры системы характеризуют состояние системы
(координаты) во внешних силовых полях и ее скорость.
Внутренние параметры в свою очередь подразделяются на экстенсивные и интенсивные.
Экстенсивные параметры пропорциональны массе системы или
числу частиц, например объем V, внутренняя энергия U, энтропия S,
теплоемкость C.
Интенсивные параметры не зависят от массы системы или числа
частиц, например температура T, плотность ρ, давление p. Произведение экстенсивного и интенсивного параметров будет параметром экстенсивным, а отношение двух экстенсивных параметров (или частная
производная одного по другому), изменяющихся с массой или количеством симбатно, будет параметром интенсивным.
Можно одновременно увеличить массу и объем системы в любое
число раз, при этом температура и давление останутся постоянными.
Состояние системы можно описать и с помощью термодинамических функций, которые зависят от параметров.
Различают следующие функции:
1) функции состояния, которые зависят только от состояния систе-
мы и не зависят от пути, по которому это состояние получено (энергия
U, энтальпия H, энергия Гельмгольца F, энергия Гиббса G, энтропия S);
2) функции процесса, значение которых зависит от пути, по кото-
рому происходит изменение системы (теплота Q, работа A).
Первое начало (закон) термодинамики рассматривается как следствие закона сохранения и превращения энергии.
7
Энергия ― мера движения материи.
Движение ― неотъемлемое свойство (атрибут) материи.
Термодинамический процесс ― совокупность последовательных
состояний, через которые проходит термодинамическая система при ее
взаимодействии с окружающей средой.
Состояние системы характеризуют параметрами: объемом V, давлением р, температурой Т, концентрацией С и т.д.
Формы движения и соответствующие им виды энергии весьма многообразны. При превращении одних видов энергии в другие всегда наблюдается эквивалентность. Первоначальной формой закона сохранения и превращения энергии был закон эквивалентности превращения
энергии (установлен опытным путем): при превращении одной формы
движения в другую энергии исчезнувшего и появившегося движения
эквивалентны между собой. То есть энергия исчезнувшего движения
находится в постоянном количественном отношении к энергии возникшего движения. Это отношение не зависит от условий.
Более поздней формой закона эквивалентных отношений является
закон сохранения энергии: энергия не разрушается и не возникает из
ничего при всех процессах и явлениях. Суммарная энергия всех частей
материальной системы, участвующей в данном процессе, не увеличивается и не уменьшается, а остается постоянной.
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.
Формы движения материи очень разнообразны, а формы перехода
энергии (движения) могут быть разделены на две группы:
формы передачи энергии путем хаотических столкновений моле-
кул двух соприкасающихся тел, то есть путем теплопроводности. Мерой передачи энергии в таком случае является теплота (Q);
все виды передачи энергии, общей чертой которых является пе-
ремещение макроскопических масс под действием каких-либо сил, например перемещение тел в поле тяготения. Мерой передачи энергии
таким способом является работа (A).
Теплота и работа ― формы передачи энергии, а не самостоятельные виды энергии.
Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и работой устанавливается на основе первого начала термодинамики.
8
В термодинамике принято считать теплоту, переданную системе,
положительной (+), а положительной работой ― ту работу, которую
совершает сама система.
Пусть система совершает циклический процесс и к его концу возвращается в исходное положение. При этом она получила теплоту и
совершила работу, но на разных стадиях цикла Q и A могут быть (+) и
(–). Согласно закону сохранения энергии, система, вернувшаяся в исходное состояние, обладает точно таким же запасом энергии, как и перед циклом. Следовательно, вся полученная теплота во время цикла
должна расходоваться на совершение работы. То есть в цикле: A = Q.
Циклический процесс ― процесс, в котором система изменяет
свои свойства и к концу которого возвращается в исходное состояние.
Первый закон термодинамики можно представить и в таком виде: невозможно построить такую машину, которая, совершая один и
тот же циклический процесс произвольное число раз, приводила бы к
накоплению энергии в изолированной системе. То есть вечный двига-
тель первого рода невозможен.
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).
Абсолютную величину внутренних запасов энергии определить невозможно, но ее изменение можно рассчитать путем определения поглощенной системой теплоты и совершенной ей работы.
Интегральная форма первого закона термодинамики:
Q – A = ∆U
или
Q = A + ∆U,
где ∆U — изменение абсолютной величины внутренней энергии;
Q — теплота;
А — работа.
Теплота, поглощенная системой, расходуется только на совершение работы и изменение внутренней энергии системы.
Дифференциальная форма первого закона термодинамики:
9
δQ = δA + dU, (1)
где δQ и δА — бесконечно малое количество теплоты или работы (элементарные Q и А);
dU — бесконечно малое изменение внутренней энергии;
d — знак полного дифференциала, записывается только с функцией
состояния, которой является внутренняя энергия U, так как ее изменение не зависит от пути процесса.
Q и А в общем случае не являются функциями состояния, так как
разные пути связаны с разными величинами Q и А.
Внутренняя энергия системы (U) включает в себя кинетические
энергии всех частиц, из которых состоит система, а также потенциальную энергию их взаимодействия между собой. Кинетическая энергия
частиц складывается из энергии поступательного, вращательного и колебательного движений.
При изохорном процессе (V = const) теплота равна приращению
внутренней энергии:
Qv = U2 – U1 = ∆U,
то есть все тепло расходуется на изменение внутренней энергии.
Уравнение первого начала термодинамики применительно к изобарным процессам, в которых совершается только работа расширения
(р = const), и имеет следующий вид:
Qр = ∆U + p∆V, (2)
где А = p∆V,
или
Qр = U2 – U1 + р(V2 – V1);
Qр = (U2 + рV2) – (U1 + pV1);
U + рV = Н. (3)
Тогда:
Qр = Н2 – Н1 = ∆Н. (4)
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]