Термодинамика материалов представляет в физике существенное значение и особенно актуальна (с точки зрения практического применения) в строительстве.
Теоретическое обоснование химических проблем для строителя должно базироваться на фундаменте физической химии материалов, среди наиболее значимых разделов которой считается химическая термодинамика.
Рисунок 1. Теория по термодинамике в формулах. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Понятие термодинамики материалов
Химическую термодинамику привлекают с целью анализа теоретической прочности твердых тел, исследования поверхностных явлений, осуществляющих важную миссию при решении проблем склеивания, пленкообразования, а также энергетических и фазовых переходов.
Термодинамический анализ способствует обоснованию направления, согласно которому будут протекать процессы гидратации минеральных гидратных образований, которые станут определяющими для прочности бетонов.
Отсутствие термодинамического анализа делает трудной оценку процессов коррозии строительных материалов, а также их защиты. Термодинамика выполняет, в свою очередь, важнейшую роль в плане подведения теоретического фундамента под многочисленными химическими и физическими процессами в условиях строительного производства.
Свойства термодинамики материалов
Физические свойства строительных материалов определяются параметрами его физического состояния под влиянием внешней среды и также условий их работы (воздействие воды, низких и высоких температур и т. п.).
В рамках воздействия статических или циклических факторов тепла, материал будет характеризоваться теплофизическими свойствами. Они крайне важные для жаростойких и теплоизоляционных материалов, а также для материалов ограждающих конструкций и изделий, затвердевающих в ходе тепловой обработки. К таковым можно отнести:
- теплоемкость (свойство материала к поглощению в условиях нагревания и отдаче при охлаждении какого-то количества теплоты);
- теплопроводность (свойство материалов, выраженное в передаче сквозь свою толщину теплового потока, появляющегося по причине температурной разности на противоположных поверхностях);
- тепловое расширение (свойство материала к изменению размеров в ходе нагреваний и охлаждений; с целью численной характеристики подобного явления используются температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР), демонстрирующие, на какую долю изначальной длины выпадет расширение материала при повышении температуры на 1°С);
- огнеупорность (вследствие деформаций термического и усадочного характера, в сооружениях большой протяженности могут формироваться недопустимые по условиям эксплуатации перекосы, а также разрывы и трещины; во избежание этого, устраиваются температурно-усадочные (то есть, деформационные) швы, как бы разрезающие сооружение; расстояние между швами назначается с учетом термических расширений материалов);
- энергия Гиббса, энтальпия и энтропия (данные, полученные в итоге термодинамических измерений, широко задействованы в термодинамике с целью вычисления энтальпии, а также образований соединений, комбинация которых делает возможным расчет тепловых эффектов и константы равновесия в химических реакциях, энергии связей и пр).
В основу практических расчетов тепловых эффектов разнообразных процессов положен закон Гесса, согласно которому становится независимым от промежуточных состояний системы тепловой эффект. При этом он будет зависим от ее изначального и конечного состояния.
Законы термодинамики материалов
Рисунок 2. Первый закон термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Первый закон термодинамики, представляющий отображение процесса энергообмена окружающей среды и системы, осуществляется в формате теплоты и работы. Это один из представленных в физике видов законов сохранения энергии.
Энтальпией называется термодинамическая функция, которая может характеризовать энергетическое состояние системы при изобарно-изотермических условиях. Энтальпия представляет отражение тепловых изменений в системе, а теплота, соответственно, - в окружающей среде.
Рисунок 3. Процессы, запрещаемые 1-м законом термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Количество теплоты, поглощаемое или выделяемое в условиях осуществления химической реакции оказывается при этом равнозначным изменению энтальпии системы (речь идет об энтальпии реакции).
Закон Гесса для химических реакций указывает на непосредственную зависимость величины теплового эффекта изобарных или изохорных процессов исключительно от первоначального и конечного состояний системы и ее независимость от хода самого процесса. Данный закон применим с целью вычисления тепловых эффектов при химических реакциях.
Закону Гесса присущи следующие полезные следствия:
- в стандартных условиях энтальпия химической реакции равнозначна разности алгебраической суммы энтальпий появления продуктов реакции и также формирования исходных веществ;
- теплота, выделяемая при горении вещества в кислороде в количестве 1 моля до момента образования высших оксидов (при соблюдении стандартных условий), будет считаться стандартной теплотой сгорания вещества;
- энтальпия реакции горения равнозначна разности суммы энтальпий (при учете знаков) сгорания исходных веществ, а также суммирования энтальпий сгорания продуктов реакции с учетом их стехиометрических коэффициентов;
- согласно закону Гесса, число выделяемой теплоты в ходе окисления оказывается независимым от способа выполнения процесса горения (при условии неизменности продуктов реакции).
Если взять и провести две реакции, способные приводить из различных начальных состояний к одним итоговым состояниям, то тогда разница в тепловых эффектах будет равна количеству теплоты перехода из первых начальных состояний во второе.
Если более детально изучать второй закон термодинамики, то он будет свидетельствовать об определенном характере направления, с которым будет наблюдаться протекание процессов. Все самопроизвольные процессы осуществляются таким образом, что система начнет стремиться к энергетическому минимуму, при этом фиксируется увеличение энтропии системы.
