Гигротермическое равновесное состояние капилярнопористых коллоидных тел

Капиллярнопористые коллоидные тела в различных технологи­ческих процессах производства в условиях эксплуатации и дли­тельного хранения подвергаются воздействию тепла, пара и жид­кости. В состоянии равновесия с окру­жающим влажным воздухом температура тела равна температуре воздуха, а давление пара воды в материале равна парциальному давлению водяного пара в воздухе (молекулярное равновесие).

Влагосодержание коллоидного капиллярнопористого тела приобре­тает некоторое постоянное значение, называемое равновесным удельным влагосодержанием или равновесной влажностью.

Равновесная влажность материала зависит от температуры, влажности окружающего воздуха и от способа достижения равнове­сия. Обычно содержание водяного пара в воздухе характеризуют относительной влажностью воздуха j, равной отношению концентрации водяного пара (количество водяного пара в единице объема влажного воздуха) к максимальной концентрации при той же температуре и при данном баро­метрическом давлении

.

При температуре, меньшей 100° С, и нормальном барометри­ческом давлении = = , где — плотность насыщенного пара при данной температуре.

Если в качестве первого приближения считать применимым для пара уравнение Менделеева — Клапейрона, то относительная влажность воздуха будет равна отношению парциального давления пара в воздухе к давлению насыщенного пара при данной температуре, т. е.

.

В состоянии гигротермического равновесия относительная влаж­ность воздуха равна отношению давления пара материала к давлению пара жидкости , так как = (давление насы­щенного пара жидкости есть давление пара, находящегося в терми­ческом и молекулярном равновесии со своей жидкостью = ).

Следовательно, в состоянии равновесия

= = .

Изменяя относительную влажность воздуха при постоянной температуре, можно получить зависимость между влагосодержа­нием (влажностью) и давлением пара в материале в виде некоторой кривой, называемой изотермой. В состоянии равновесия влагосодержание тела одинаково во всем его объеме, что было подтверждено экспериментами; сред­нее интегральное влагосодержание W равно влагосодержанию в любой точке тела (w).

37 Изотермы капиллярнопористых коллоидных тел.

Рис. 2.1. Изотермы сорбции древесины при различных температурах

Влажные материалы являются коллоидными капиллярно-пористыми телами, изотермы сорбции и десорбции которых имеют S-образный вид, без наличия сингулярных точек (рис.1). Изотермы влажных материалов похожи на изотермы каллоидных тел, так как здесь нет участка изотермы, обра­щенного выпуклостью к оси влагосодержания при больших j, что ха­рактерно для капиллярно-пористых тел (рис. 1). равновесное влагосодержание для большинства материалов зависит от температуры

Рис. 2.2. Изотермы сорбции и десорбции фильтровальной бумаги при температуре

22° С.

Основные формы связи сор­бированной влаги — адсорбцион­ная и капиллярная. Для боль­шинства материалов гидратационное влагосодержание меньше максимального гигроскопическо­го влагосодержания.

Сорбционный гистерезис влажных материалов анало­гичен гистерезису коллоид­ных тел.

Подводя итог анализу изотерм сорбции и десорбции, можно придти к следующим заключениям:

1.Первоначальный участок изотермы (в интервале j от 0 до 0,1) имеет характерную для мономолекулярной адсорбции выпуклость кривой к оси влагосодержания. Поглощение жидкости сопровож­дается значительным выделением тепла.

2.На участке изотермы j от 0,1 до 0,9 изотермы обращены выпуклостью к оси влажности воздуха, что характерно для поли­молекулярной адсорбции.

Поглощение жидкости также сопровождается выделением тепла, но в значительно мень­шем количестве, чем в первом случае.

3.На участке изотермы j от 0,9. до 1,0 жидкость погло­щается без выделения тепла. На этом участке жидкость в основном является капилляр­ной.

Дальнейшее поглощение жидкости сверх максималь­ного гигроскопического вла­госодержания происходит пу­тем непосредственного со­прикосновения материала с жидкостью. В этом процессе поглощения жидкости имеет место заполнение макрокапил­ляров и пор, а также осмоти­ческое поглощение жидкости через полупроницаемые клет­ки замкнутых стенок. Свойст­ва этой поглощенной жидко­сти не отличаются от свойств свободной жидкости, и, в ча­стности, давление пара жид­кости тела практически равно давлению насыщенного пара свободной жидкости (j = 1).

если материал после сушки хранится в обычных условиях (например, на складах, где имеет место взаимодействие материала с влажным воздухом), то конечное влагосодержание высушенного материала не должно быть меньше равновесного для условий хранения Таким образом, изотермы сорбции могут служить, для определения конечного влагосодержа­ния материала при сушке в соответствии с условиями хранения.