3.5. Определение теплоты гидратации гипса

При термосном методе определения тепловыделения температура окружающей среды должна быть постоянна. Температура образца, равная в начале опыта температуре среды, изменяется самопроизвольно в результате одновременного протекания двух процессов: 1) выделения тепла при гидратации гипса и 2) теплообмена между образцом и средой. Первый процесс обусловливает повышение температуры, второй – ее понижение. Суммарный результат зависит от того, что больше, скорость тепловыделения или скорость теплопотерь в среду. В методе принято допущение, что температура образца одинакова во всех точках его объема. В действительности температура падает от центра к периферии образца. Чтобы выровнять температуру образца, нужно между образцом и средой создать высокое термическое сопротивление, на котором будет локализован в основном весь температурный перепад. Самым высоким термическим сопротивлением обладает сосуд Дьюара (термос) – стеклянная колба с двойными стенками, между которыми создан вакуум. Отсутствие вещества между стенками практически исключает передачу тепла конвекцией и кондукцией, но остается третий путь – излучение. Для его снижения стенки колбы делают зеркальными – покрывают серебром. Этот металл имеет очень высокую отражательную способность.

Впростейшей схеме испытания (рис. 3.13) калориметрической средой является воздух помещения. При этом необходимо позаботиться о постоянстве коэффициента теплообмена (теплоотдачи) между термосом и средой и постоянстве температуры воздуха. Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости омывания воздухом стенок термоса. Наименьшее значение он принимает, если воздух неподвижен.

Температура воз­духа в помещении t_n имеет суточные колебания, которые при центральном отоплении не должны превышать ±1,5 °С. Испытание гипса занимает 1 час. За это время температура воздуха в помещении изменяется незначительно. Если не открывать окон и дверей, то можно считать, что t_n=const. Воду и гипс для приготовления образца, а также все части прибора и инструменты нужно до испытания выдержать не менее 1 часа и том же помещении. Тогда начальную температуру образца можно считать равной температуре среды t_о=t_n.

Для опыта готовят тесто нормальной густоты, для чего отвешивают 80 г гипса и соответствующее количество воды. Приготовленное тесто выливают в стаканчик из белой жести и помещают в сосуд Дьюара. В центре образца размещают резервуар термометра. Регистрируют температуру гипсового теста через каждые 5 минут, в течение 1 часа. Строят график зависимости температуры от времени и вычисляют количество теплоты, выделившейся за 5, 10, 15 ,…, 60 мин. с момента затворения. Строят график зависимости удельного тепловыделения гипса от времени, по которому судят о характере процесса гидратации.

Теплота Q, выделяемая гипсом, частично идет на нагрев всего того, что находится внутри термоса, и частично – на потери в среду, т. е. складывается из двух частей: Q=Q₁+Q₂.

Теплота Q₁, идущая на повышение температуры в термосе, пропорциональна суммарной теплоемкости C_т (Дж/^оС) всех нагреваемых частей (внутренней стенки термоса, металлического стаканчика, гипсового теста, конца термометра и части теплоизолирующей пробки):

Q₁=C_т(t_x–t_o),

где t_o – начальная температура гипсового теста; t_х – температура гипсового теста к моменту x (0, 5, 10 …60 мин.).

Аддитивная теплоемкость определяется по формуле:

C_т =с_гm_г+с_вm_в+∑с_im_i ,

где с и m – соответственно, удельная теплоемкость и масса: гипса (индекс "г"), воды (индекс "в") и прочих нагреваемых частей (индекс "i"). Величина ∑с_im_i определяется экспериментально. Можно принять: с_г=0,84 и с_в=4,28 кДж/(кг· ^оС), а ∑с_im_i =125 Дж/°С.

Теплота Q₂, теряемая телом в среду, пропорциональна коэффициенту теплоотдачи α, который представляет собой количество теплоты, теряемой телом за 1 секунду, с 1 м² поверхности при разности температур между поверхностью тела и средой в 1 °С. В случае термоса, при фиксированной площади S контакта его со средой, пользуются константой теплоотдачи калориметра Q_k=αS (Вт/°С), определяемой экспериментально. Тогда

,

где τ – время.

Интегрирование по времени заменяем суммированием по площади, заключенной между кривой t_x=f(τ) и прямой t_n=const:

и Q₂=Q_k·F_x

На­пример, для момента времени τ_x соответствующий ин­теграл от 0 до τ_x равен площади заштрихованной на рис. 3.14. Площадь F_x находят по трапециям (в °С·с):

F_x=[(t_o– t_n)/2+(t₅– t_n)+(t₁₀– t_n)+(t₁₅– t_n) +…+(t_k– t_n)/2]Δτ,

гдеt_o, t₅, t₁₀,... t_k, - температура образца в моменты 0; 5; 10;…k мин. (x=5; 10; 15 и т.д. мин.); Δτ=300 с – шаг отсчета времени.

Характеристикой вяжущего, в данном случае гипса, является удельное тепловыделение q=Q/m_г.

Вычисления удобно производить в табличной форме. По результатам вычислений строят график за­висимости q=f(τ).

123