Плотность растворов
Плотность раствора — это сумма массовых концентраций (парциальных плотностей) компонентов раствора:
- ρзнак равно1V∑ямязнак равно∑яρя{\ displaystyle \ rho = {\ frac {1} {V}} \ sum _ {i} m_ {i} = \ sum _ {i} \ rho _ {i}}
или же :
- m i — масса компонента i в смеси,
- V объем смеси,
- ρязнак равномяV{\ Displaystyle \ rho _ {я} = м_ {я} / V}массовая концентрация i-го компонента в смеси.
Другое выражение:
- ρзнак равно∑яρяVяV{\ displaystyle \ rho = \ sum _ {i} \ rho _ {i} ^ {0} {\ frac {V_ {i}} {V}}}.
Связь между молярной массой и молярным объемом
Плотность — это отношение молярной массы раствора к молярному объему раствора:
- ρзнак равноMV~знак равно∑ИксяMя∑ИксяV¯я{\ displaystyle \ rho = {\ frac {M} {\ tilde {V}}} = {\ frac {\ sum x_ {i} M_ {i}} {\ sum x_ {i} {\ bar {V}} _ {i}}}}
Для решения с двумя компонентами мы можем написать:
- ρзнак равноИкс1(M1-M2)+M2Икс1(V¯1-V¯2)+V¯2{\ displaystyle \ rho = {\ frac {x_ {1} (M_ {1} -M_ {2}) + M_ {2}} {x_ {1} ({\ bar {V}} _ {1} — { \ bar {V}} _ {2}) + {\ bar {V}} _ {2}}}}
Теплофизические свойства
Это группа свойств, которые характеризуют отношение материала к постоянному или периодическому тепловому воздействию. Теплоемкость — свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Теплоемкость С (кДж/кг °С) характеризуется количеством тепла кДж, необходимым для нагревания 1 кг материала на 1 °С.
Вода имеет высокую теплоемкость (4,2 кДж/кг °С), строительные материалы более низкие величины: лесные материалы 2,39…2,72 кДж/кг °С, каменные 0,75…0,92 кДж/кг °С, сталь 0,48 кДж/кг °С, поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость увеличивается.
Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность λ (Вт/м °С) характеризуется количеством тепла, проходящим через материал площадью 1 м2, толщиной 1 м в течение одной секунды, при разности температур на противоположных поверхностях в 1 °С. Теплопроводность материала зависит от его химического состава, строения и структуры, степени влажности, характера и размера пор, а также от температуры, при которой происходит передача тепла. Тепловой поток проходит через «каркас» материала и поры. Каркас материала кристаллического строения более теплопроводен, чем каркас материала из того же состава, но аморфного строения. В сухом состоянии поры материала заполнены воздухом, тепло проводность которого в неподвижном состоянии значительно ниже теплопроводности любого «каркаса» и составляет всего 0,023 Вт/м °С. Поэтому малотеплопроводные материалы имеют большую (до 90…95 %) пористость. При одинаковой величине пористости мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос тепла конвекцией, т.е. движущимся воздухом, что повышает суммарную теплопроводность.
С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, так как вода, заполняющая поры, имеет теплопроводность 0,58 Вт/м °С, что в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность при замерзании воды в порах, так как теплопроводность льда составляет 2,3 Вт/м °С, что в 100 раз больше теплопроводности воздуха.
С повышением температуры теплопроводность большинства строительных материалов возрастает.
Приведем показатели теплопроводности некоторых строительных материалов, Вт/м °С: пенопласт — 0,03…0,05, минеральная вата — 0,06…0,09, древесина — 0,18…0,36, кирпич керамический полнотелый — 0,8…0,9, кирпич керамический пустотелый — 0,3…0,5, бетон тяжелый — 1,3…1,5, ячеистый бетон — 0,1…0,3, сталь — 58.
Термическая стойкость — способность материала выдерживать чередование резких тепловых изменений. Зависит от однородности материала и коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР), который характеризует изменение линейных размеров материала при его нагревании на 1 °С. Чем меньше КЛТР и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость.
Огнеупорность — способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, которые выдерживают температуру свыше 1580 °С, называют огнеупорными, от 1350 до 1580 °С — тугоплавкими, ниже 1350 °С — легкоплавкими, до 1000 °С — жаропрочными. Огнестойкость — способность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара без потери несущей способности. По отношению к действию огня материалы делятся на несгораемые (кирпич, бетон, сталь), трудносгораемые (асфальтобетон, фибролит), которые горят только при наличии источника огня, и сгораемые (древесина, битум, смолы).
Огнестойкость конструкции выражается промежутком времени в часах, в течение которого не происходит потеря несущей способности. Несгораемые материалы не всегда обладают высокой огнестойкостью: например, сталь при высоких температурах деформируется, а бетон растрескивается.
Общие сведения о строительных материалах
Единой, всеобъемлющей классификации строительных материалов не существует. Была сделана попытка составить по аналогии с периодической таблицей химических элементов Менделеева периодическую таблицу строительных материалов, которая не увенчалась успехом.
В настоящее время строительные материалы чаще всего классифицируются по назначению, исходя из условий работы материала в сооружении. Так, материалы делятся на две группы: конструкционные и специального назначения.
К конструкционным материалам, которые воспринимают различные нагрузки (от собственной массы, от массы установленного оборудования, снеговые, ветровые и т.д.) и используются для несущих конструкций, относятся:
1) природные каменные;
2) вяжущие;
3) искусственные каменные, получаемые:
- а) омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетоны, растворы);
- б) спеканием (керамические материалы);
- в) плавлением (стекло, ситаллы);
4) металлы (чугун, сталь, алюминий, сплавы);
5) пластмассы;
6) древесина;
7) композиционные (асбестоцемент, стеклопластики, бетонополимеры).
К материалам специального назначения, название которых говорит об их функции, относятся:
- теплоизоляционные;
- акустические;
- гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие;
- отделочные;
- химстойкие;
- антикоррозийные;
- огнеупорные;
- материалы для защиты от радиационных воздействий и др.
Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств.
Свойство — способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор.
Единицы измерения
Единицей измерения плотности в Международной системе является килограмм на кубический метр ( кг / м 3 ). В системе CGS он выражается в г / см 3 , что дает то преимущество, что дает числовые значения порядка единицы для твердых тел при нормальных условиях температуры и давления (CNTP).
Обычно используются г / см 3 , кг / л или т / м 3 (последние единицы являются числовым эквивалентом) или любая другая единица, выраженная отношением единицы массы к единице объема.
Эти устройства не следует путать с обозначением г / л часто используются в химии , чтобы охарактеризовать концентрацию в виде растворенного вещества в водном растворе . Например, физиологическая сыворотка — это раствор NaCl 9 г / л ; это означает, что на 1 л раствора приходится 9 г NaCl , а не то, что плотность сыворотки составляет 9 г / л . В отличие от плотности, грамм и литр — это не одно и то же вещество.
Числовое значение одинаково в нескольких единицах измерения, потому что 1 г / см 3 = 1 кг / дм 3 = 1 кг / л = 1 т / м 3 , и аналогично 1 г / л = 1 кг / м 3
Плотность воды очень близко к 1 кг / л . Это не случайно, потому что это результат первых попыток определить килограмм как массу литра воды при 4 ° C (температура, при которой плотность воды максимальна); точное значение плотности воды при 4 ° C составляет 0,999 972 кг / л .
Связь состава, структуры, строения и свойств материалов
Свойства материалов взаимосвязаны с их составом, структурой и внутренним строением.
Если для природных материалов (каменные материалы, древесина) возможно только частичное изменение их свойств, например, пропитка древесины антисептиками, которые препятствуют гниению древесины, то при получении искусственных материалов технологию следует рассматривать с точки зрения ее влияния на строение, структуру и, как следствие, на получение материалов с заданными свойствами.
Строительные материалы характеризуются химическим, минеральным и фазовым составами.
По химическому составу материалы делятся на органические (древесина, битум, полимеры) и минеральные, т.е. неорганические (природный камень, кирпич, бетон), а также металлы (чугун, сталь, алюминий). Органические материалы горючи, а минеральные нет. Химический состав некоторых материалов иногда выражают количеством содержащихся в них оксидов. Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые характеризуют минеральный состав материала. Варьируя содержание и количество минералов, можно получить материалы с разными свойствами (например, портландцемент, быстротвердеющий и сульфатостойкий цемент и т.д.).
Фазовый состав — это соотношение между твердым каркасом материала и порами. Фазовый состав, а также фазовые переходы воды в порах материала взаимосвязаны со всеми свойствами и поведением материала при эксплуатации.
Свойства материала взаимосвязаны с его структурой. При изучении структуры материала различают макро- и микроструктуры.
Макроструктура — это строение, видимое невооруженным глазом. Микроструктура — строение, видимое под микроскопом.
Материалы могут иметь следующую макроструктуру:
- рыхлозернистую — состоящую из отдельных не связанных друг с другом зерен (песок, гравий, цемент);
- конгломератную — когда зерна прочно соединены между собой (бетон, керамические материалы);
- ячеистую — которая характеризуется большим количеством равномерно распределенных по объему материала макрои микропор (ячеистые бетоны, пеностекло);
- волокнистую (древесина, минеральная вата);
- слоистую (фанера, текстолит).
Волокнистой и слоистой структурам присуща анизотропия, т.е. различие свойств в различных направлениях (например, прочность вдоль и поперек волокон).
Внутреннее строение материалов изучают методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.д. По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных материалов определяет и различие их свойств. Материалы аморфного строения химически более активны, имеют меньшие прочность и теплопроводность, чем кристаллические такого же состава.
Измерительные приборы
Пикнометр.
Плотность жидкости, твердого тела или газа можно определить с помощью пикнометра или расходомера Кориолиса . Для твердых веществ также можно использовать весы и выполнять взвешивание в воздухе, а затем в жидкости (предпочтительно в воде), этот метод обеспечивает большую точность. Что касается жидкостей, можно использовать ареометр, но измерение будет не таким точным, как при простом измерении со стандартной емкостью.
Автоматический плотномер для газа и жидкости, использующий принцип колеблющейся U-образной трубки.
Другой возможностью для определения плотности жидкостей и газов является использование цифрового прибора, основанного на принципе колеблющейся U-образной трубки, электронного плотномера, результирующая частота которого пропорциональна плотности вводимого продукта.
Практическое применение
Из учебников химии и физики вычисляют уровень плотности по формуле. Но также это можно сделать, используя онлайн-систему.
Значение показателя
Окружающий мир состоит из разных веществ.
Скамейка в парке или баня за городом сооружены из древесины, подошва утюга, сковорода выполнены из металла, покрышка колеса, велосипеда — из резины. Каждый предмет имеет свой вес.
Черные дыры Вселенной составляют наибольшую плотность 1014 кг/м3. Самый низкий показатель имеет область между Галактиками (2•10−31—5•10−31 кг/м³).
Таблица плотности веществ
| Вещество | Плотность (кг/м3) |
| Сухой воздух | 1,293 |
| Металлы | |
| Осмий | 22,61 |
| Родий | 12,41 |
| Иридий | 22,56 |
| Плутоний | 19,84 |
| Палладий | 12,02 |
| Свинец | 11,35 |
| Платина | 19,59 |
| Золото | 19,30 |
| Сталь | 7,8 |
| Алюминий | 2,7 |
| Медь | 8,94 |
| Газы | |
| Азот | 1,25 |
| Аммиак | 0,771 |
| Аргон | 1,784 |
| Жидкий водород | 70 |
| Гелий в жидком состоянии | 130 |
| Водород | 0,09 |
| Водяной пар | 0,598 |
| Воздух | 1,293 |
| Хлор | 3,214 |
| О2 | 1,429 |
| Углекислый газ | 1,977 |
| Остальные вещества | |
| Тело человека | На вдохе 940-990, при выдохе — 1010-1070 |
| Пресная вода | 1000 |
| Солнце | 1410 |
| Гранит | 2600 |
| Земля | 5520 |
| Железо | 7874 |
| Бензин | 710 |
| Керосин | 820 |
| Молоко | 1040 |
| Этанол | 789 |
| Ацетон | 792 |
| Морская вода | 1030 |
| Древесина | |
| Пихта | 0,39 |
| Ива | 0,46 |
| Ель | 0,45 |
| Сосна | 0,52 |
| Дуб | 0,69 |
Способы расчета и примеры
В сети Интернет существует множество приложений для онлайн-расчета плотности веществ или материалов. В стандартные поля калькулятора вводится основная информация: масса, объем, единицы измерения. Плотность вычисляется автоматически по заданным параметрам и выводится на экран интерфейса. Можно перевести информативные данные в нужную единицу измерения.
Без использования учебной информации показатель П можно определить через физические опыты. Для лабораторных изучений нужны весы, сантиметр, если исследуемое тело находится в твердом состоянии. Для жидкости необходима колба.
Сначала измеряют объем тела, записывая результат по цифровой шкале (в сантиметрах или миллилитрах).
Вычисляя объем деревянного бруска квадратной формы, параметр стороны возводится в третью степень. Измеряя объемные характеристики, тело ставят на весы и записывают значение массы. Рассчитывая жидкое состояние, учитывают массу сосуда, куда помещено исследуемое. В формулу подставляют данные и рассчитывают показатель.
Поскольку П измеряется в кг/л или в г/см³, то иногда приходится пересчитывать одни величины в другие.
Пример 1:
Необходимо найти плотность молока, если 350 г занимают 100 см3. Для решения используют формулу, где масса делится на объем.
Решение: P=m/V = 350/100= 3,5 г/см3.
Пример 2:
Необходимо определить П мела, если масса большого куска объемом 20 см3 составляет 48 грамм. П выразить в кг/м3 и вг/см3.
Решение:
Нужно перевести см3 в кубические метры, а граммы — в килограммы.
V = 20см3= 0,00002 м3.
M= 48 г = 0,048 кг.
Плотность мела составляет 0,048 кг/0,00002 м3 = 2400 кг/м3.
Выражаем в г/см3: 2400 кг/м3 = 2400*1000/1000000 см3 = 2,4 г/см3.
Один килограмм равен 1000 грамм, один кубический метр (1м3) содержит 1000000 см 3. Плотность получится 2,4 г/см3или 2400 кг/м3.
![§ 5. структурные характеристики и физические свойства материалов [1986 попов к.н. - материаловедение для каменщиков, монтажников конструкций]](https://site-edu.ru/wp-content/uploads/3/c/5/3c5f314d7553b981799e66aa9bf91252.jpeg)
Предыдущая запись Потенциал электрического поля — формулы определения, характеристика и единицы измерения
Следующая запись Уравнение Бернулли — вывод формулы, физический смысл, примеры использования
1.5. Химические свойства строительных материалов
Характеризуют способность строительных материалов к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми находятся в соприкосновении.
К химическим свойствам относятся: химическая и биологическая стойкость, растворимость, сопротивление проникновению излучения ядерного распада.
Химическая (коррозионная) стойкость – свойство материала сопротивляться коррозийному воздействию среды, не разрушаться под воздействием агрессивных жидкостей: кислот, щелочей, солей или газов.
При контакте с агрессивной средой в структуре материала происходят необратимые изменения, что вызывает снижение его прочности и преждевременное разрушение конструкции (коррозия — от лат. corrosio – разъедание).
Основными агрессивными агентами, вызывающими коррозию строительных материалов, являются: пресная и соленая вода, минерализованные почвенные воды, растворенные в дождевой воде газы (S03, S02, C02, N02) от промышленных предприятий и автомашин. На
промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные агенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы , (Рис. 1.6).
Существует понятие биокоррозии (биологическая стойкость), когда разрушение материалов происходит под воздействием живых организмов (грибков, микробов, плесени и др.).
Электрохимическая коррозия происходит в средах, проводящих электрический ток (водных растворах солей, кислот, щелочей).
Растворимость – способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других жидкостях-растворителях. Обычно растворимыми считают вещества, растворимость которых при комнатной температуре превышает 1 г на 100 г воды. Растворимость
зависит от химического состава вещества, температуры и давления. Так, в одном литре воды при t=18 ℃ может раствориться 2 г природного гипса, 10 г гипсового вяжущего и 1,3 г извести.
Рис. 1.6. Коррозия
Радиационная стойкость – свойство материала сохранять свой химический состав, структуру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирующих излучений. Например, бетоны специального назначения (жароупорный, кислотостойкий,
для радиационной защиты).
Развитие атомной энергетики и широкое использование источников ионизирующих излучений в различных отраслях народного хозяйства вызывают необходимость оценки радиационной стойкости и защитных свойств материалов.
Объемная масса — материал
|
Толщиномер I-трубка. 2 — диск. 3.| Прибор для определения объемной массы минеральной ваты. |
Объемная масса материалов для мастичной изоляции определяется на отформованных и высушенных образцах-балочках.
|
Приспособление для измерения линейных размеров. |
Объемной массой материала называется масса единицы объема; она выражается в граммах на кубический сантиметр. Объемную массу обычно определяют для пористых материалов ( пено — и поропластов), для них термин плотность не является определяющим, так как указывает на плотность собственно материала, из которого изготовлен пористый пластик. Объемная масса поро — или пенопласта, изготовленного из одного и того же исходного материала, зависит от величины и количества газонаполненных и воздушных пор и позволяет судить о степени его пористости.
|
Конструкции облегченных кирпичных стен. |
Снизить объемную массу материала кирпича помогает введение в шихту выгорающих добавок ( чаще всего опилок), на месте которых после обжига остаются поры.
При такой объемной массе материала труб существенно снижается толщина их стенок.
Известно, что при объемной массе материала легкого перекрытия 30 кг / м3 и толщине 5 см масса его квадратного метра составляет 1 5 кг. При мине-раловатных плитах объемной массой 100 кг / м3 масса квадратного метра такого перекрытия может быть равна 5 кг. Таким образом, речь идет о величинах того же порядка, что и при действии избыточного давления воздуха.
Коэффициент теплопроводности материала зависит от объемной массы материала ( с увеличением объемной массы теплопроводность возрастает), пористости, его Средней температуры и структуры, а также влажности.
|
Вспененный материал, содержащий, % ( по массе. молотое стекло 92 и графит чешуйчатый 8.| Вспененный материал, содержащий, % ( по массе. молотое стекло 92, мел 2 и графит чешуйчатый 6. |
Повторный обжиг не способствует увеличению объемной массы материала.
Поэтому имеющееся иногда стремление снизить объемную массу материалов, применяемых для вакуумно-порошковой изоляции, не является оправданным.
К — коэффициент, зависящий от объемной массы материала конструкции.
После 68 мес работы в поду электролизера объемная масса материала повысилась в среднем на 25 %, пористость снизилась на 50 %; коэффициент теплопроводности при 100 — 200 С превосходил исходное значение в среднем в 4 раза, а при 700 — 800 С — в 3 5 раза.
Вт / ( мград); р — объемная масса материала, кг / м1; Q — внутренний источник или сток тепла в теле за счет фазовых превращений влаги и процессов влагопереноса в материалах.
Гидрофизические свойства
Свойства, связанные со статическим или циклическим воздействием воды или водяного пара на материал, называются гидрофизическими свойствами материалов.
Гигроскопичность — способность материала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Зависит от величины пористости, характера и размера пор, а также от параметров окружающей среды (температуры и относительной влажности воздуха). В самом общем случае — чем больше пористость, тем выше гигроскопичность.
Капиллярное всасывание — способность материала при непосредственном контакте с водой поднимать ее на определенную высоту по капиллярным порам, которые имеют размер от 1000Å до 10 мкм.
Влажность — это относительное содержание влаги в материале:
где mc — масса материала, высушенного до постоянной массы, г;
mвл — масса влажного материала, г.
Все материалы имеют ту или иную влажность, которая зависит от условий эксплуатации, величины пористости, характера и размера пор материала. Влажность влияет на ряд свойств материалов (плотность, прочность, теплопроводность и др.).
Влажностные деформации — увеличение линейных размеров и объема материала при его увлажнении (набухание) или уменьшение — при высыхании (усушка). Зависят от строения материала.
Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина 30…100 мм/м; ячеистый бетон 1…3 мм/м), материалы с маленькой пористостью — незначительной усадкой (гранит 0,02…0,06 мм/м).
Водопоглощение — способность материала поглощать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Количество воды, которое поглотил образец, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе Wm, а отнесенное к его объему — водопоглощением по объему Wo:
где mв — масса материала, насыщенного до постоянной массы, г; mс — масса сухого материала, г; Ve — объем материала в естественном состоянии; ρв — плотность воды, г/см3.
Водопоглощение зависит от величины пористости, характера и размеров пор.
Между этими водопоглощениями существует взаимосвязь:
Последняя формула удобна для определения Wo в случае затруднения определения объема материала, когда он имеет неправильную геометрическую форму.
Коэффициент насыщения — степень заполнения пор материала водой:
Этот коэффициент позволяет оценить структуру материала. Уменьшение Kн при постоянной величине пористости свидетельствует о сокращении открытой пористости.
Водостойкость — способность материала сохранять прочность при увлажнении. Характеризуется коэффициентом размягчения
где Rв и Rc — пределы прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого материала.
Материалы, имеющие Kр > 0,8, считаются водостойкими и их разрешается применять в сырых условиях эксплуатации, материалы с Kр < 0,8 — неводостойкими.
Воздухостойкость — способность материала выдерживать многократные циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.
Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. В строительстве чаще необходимо противоположное свойство — водонепроницаемость, которая характеризуется или периодом времени, по истечении которого проявляются признаки просачивания воды через материал, или величиной давления воды, при котором она не проходит через материал. Эти свойства зависят от величины пористости, характера и размера пор.
Морозостойкость — способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и существенного снижения прочности. Это свойство взаимосвязано с долговечностью, зависит от величины пористости, характера и размера пор, начальной прочности, а также от условий эксплуатации. Характеризуется количеством циклов попеременного замораживания при температуре –15…–17 °С и оттаивания в воде при температуре +20 °С. Число циклов (марка или класс), которое должен выдерживать материал, в зависимости от его назначения, указывается в нормативных документах. Материал считается выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов потеря массы и снижение прочности не превышают значений, указанных в нормативных документах.
1.3. Акустические свойства строительных материалов
Акустические свойства – это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. К акустическим свойствам относятся: звукоизолирующие и звукопоглощающие.
Звукопроводность – в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук. Зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса.
Звукопоглощение – в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук.
Звукопоглощение зависит от характера поверхности и пористости материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на него звука, поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный
шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются.