Любопытно, как мудрено сформулирован 2 закон термодинамики: «в любой изолированной системе любой процесс может происходить только при условии нарастания общей энтропии в системе». Вот так! У нас есть все причины не любить Рудольфа Клазиуса. Разве не мог он просто сказать, что тепло перетекает из теплых участков в холодные? Я думаю, такая формулировка была бы понятно любому1.  Однако существуют другие случаи, в которых вступает в силу знаменитый 2 закон термодинамики:

  • Влага переходит вместе с теплом в холодные области
  • Влага переходит из более влажных в более сухие области2
  • Воздух перетекает из области с высоким давлением в область с низким давлением
  • Сила гравитации тянет предметы вниз

Два частных случая, в которых задействована влага – переход влаги из теплых или влажных областей в холодные или сухие области – являются, по сути, «тепловым градиентом» и «градиентом плотности». Если совместить тепловой градиент и градиент концентрации можно получить «термодинамический потенциал», а в соответствии со вторым законом термодинамики вода всегда ведет себя в соответствии со 2 законом термодинамики. Психрометрическая диаграмма – это графическое отображение правил перехода из тепла в холод и из большой концентрации в малую концентрацию.

Space Shuttle

Рис. 1. Космический шаттл – одна из главных проблем, которые возникают при запуске шаттла – это отслаивание пенной изоляции внешнего топливного бака.

Правила «из тепла в холод» и «из полного в пустое» очень просты. Однако их очень часто понимают неправильно. Возьмем, к примеру, космический шаттл. Проблема с космическим шаттлом заключается в том, что пенная изоляция постоянно отслаивается от внешней поверхности топливного бака при запуске шаттла на орбиту. Эта проблема лучше всего описывается следующим образом: мы имеем алюминиевый баллон высокого давления, заполненный сжиженным газом, который находится на морском пляже во Флориде в июле. Лучшая аналогия для данной ситуации представлена на рисунке 2. Автор не имеет доступа к исследовательским бюджетам NASA, так что нам пришлось довольствоваться подручными средствами (см. рисунки 3 и 4).

Рис. 2. Инженерная аналогия — мы имеем алюминиевый баллон высокого давления, заполненный сжиженным газом, который находится на морском пляже во Флориде в июле.

Рис. 3. Скудный бюджет на исследования – Ричард Фейнманн сошел бы с ума, узнав, что мы проводим расследование крушения «Челенджера», имея стакан газировки.

Рис. 4. Экспериментальный дизайн – Авторское видение проблемы с отслаиванием пенной изоляции на космическом шаттле.

Большинство из нас интуитивно понимает, что открытая пивная бутылка будет пениться. И большинство из нас понимает, что нужно изолировать бутылку. Однако как много из нас понимает, что изоляция должна как-то решать проблему отвода пара. И насколько сильным будет давление пара? На схеме 1 представлено пограничное состояние.  Температура поверхности пены в солнечный день может достигать 65°C. В солнечную погоду во Флориде каждый день в 1 час дня идет дождь. Попробуем добавить пленку воды в жидком состоянии и дождемся, пока солнце вернется. Теперь давайте определим, в какой точке кривая насыщения (например, 100% относительной влажности) пересечется с кривой температуры в 65°С на  психрометрической диаграмме. Нет? Не можете найти точку пересечения?  Получается, кривые пересекутся вне диаграммы. Придется воспользоваться диаграммой для водяного пара. Согласно таблице мы получаем давление пара в 13 кПа. А теперь мы определим давление пара при температуре -250°C. Это очень просто, для этого нам даже не потребуется специальная схема, так как давление пара будет равно нулю. Итак, мы имеем значительный перепад давления от 13 кПа до 0.

Пограничные условия

Схема 1. Пограничные условия – Тонкая водяная пленка на нагретой солнцем поверхности слоя пенной изоляции приводит к серьезному давлению пара. 

А теперь пришло время задаться вопросом, который не удосужились задать именитые ученые, занимающиеся ракетостроением:  насколько хорошо пенная изоляция на внешнем топливном баке сопротивляется давлению пара? Проницаемость пены составляет 3 перм на 1 дюйм (2.54 см) толщины. Толщина слоя составляет 5 см. Таким образом, итоговая паропроницаемость слоя пенной изоляции составляет 1,5 перм.  Я не занимаюсь ракетостроением3, однако эта цифра для меня кажется высокой. Похоже, водяной пар сможет проникать через пенную изоляцию без всяких препятствий.

Любопытно, что произойдет, когда пар столкнется с алюминиевой обшивкой топливного бака? Похоже, что в этом случае мы имеем паровой барьер на внутренней стороне нашей конструкции. Лично мне кажется, что паровой барьер должен находиться снаружи. Попробуйте поискать в Google ролики и картинки с первыми запусками шаттлов, вам не кажется, что что-то не так? Вы заметили белое покрытие на внешнем топливном баке? Мне кажется, что это алюминиевое покрытие с малой паропроницаемостью.  Судя по всему, это покрытие было отброшено после первых запусков в целях снижения общего веса конструкции. Нарушение второго закона термодинамики, собственной персоной перед вами.

А теперь давайте перенесемся в Новый Орлеан после урагана Катрина. В это трудно поверить, если не увидеть своими глазами. Трейлеры, бесконечными рядами один за одним (см. рисунок 5). Погодите, а где находится Новый Орлеан? Город находится на морском побережье в области горячего и влажного климата. Думаю, всем понятно, что большую часть года в Новом Орлеане жарко и влажно. Таким образом, жителям Нового Орлеана приходится прибегать к кондиционированию воздуха внутри зданий. Без этого очень трудно. Воздух внутри помещений должен быть холоднее и суше. Таким образом, мы имеем теплый и влажный воздух снаружи и холодный и сухой воздух внутри. И тут мы опять сталкиваемся со 2 законом термодинамики. В каком направлении будет двигаться пар? В этом случае мы сможем воспользоваться психрометрической диаграммой, а не искать диаграммы для водяного пара, так как это не такой сложный случай, как у NASA.

Трейлеры FEMA

Рис. 5. Трейлеры FEMA – Тысячи подобных трейлеров располагаются в зонах с теплым влажным климатом.

Основным направлением движения пара будет движение внутрь помещения (зима в Новом Орлеане очень короткая). Так что же мы точно захотим видеть внутри помещения в последнюю очередь? Правильно, конечно паровой барьер. Это логично и понятно, так как паровой барьер внутри кондиционированного помещения в Новом Орлеане просто бесполезен. Однако так думают далеко не все. Вы удивитесь, но все трейлеры, предоставленные FEMA (Федеральное агентство по управлению страной в кризисных ситуациях) пострадавшим от наводнения и урагана, имеют внутренний паровой барьер (рисунок 6). Трейлеры FEMA внутри покрыты гипсокартоном, обернутым в виниловую пленку. И такие трейлеры они отправляют во влажный и теплый климат. И нельзя сказать, что никто не предупреждал ребят из FEMA. Они, вместе с Министерством жилищного строительства и городского развития, производителями домов на колесах и т.д. просто предпочитают не замечать проблемы. В трейлерах живут бедные люди, кто из них пойдет жаловаться, правда?

Покрытые виниловой пленкой гипсокартонные плиты

Рис. 6. Покрытые виниловой пленкой гипсокартонные плиты – Трейлеры FEMA отделаны изнутри гипсокартоном с виниловой пленкой, как и дома, которые строит Министерство жилищного строительства и городского развития. Это вызывает образование плесени. И единственное решение проблемы с плесенью – отказ от использования виниловой пленки и гипсокартона.

Это Америка, мы не можем ругать богатых, особенно тех из них, кто любит останавливаться в отелях с 5 мишленовскими звездами. Об этом мало кто знает, но чтобы получить 5 звезд Мишлен, отель должен иметь виниловое покрытие внутренних стен. Я не шучу, это чистая правда! Серьезно! Виниловое покрытие ассоциируется с высокими стандартами качестваВинил выступает в роли парового барьера. Установка винилового покрытия на внутренних стенах кондиционируемых помещений отелей, расположенных в теплом влажном климате, приводит к образованию плесени. Т.е. возникает ситуация, аналогичная ситуации с трейлерами FEMA.

Одним из первых признаков проблемы является появление «розовых пятен» на поверхности винилового покрытия. Плесень образуется на внутренней стороне винилового покрытия (см. рисунок 8), эта плесень выделяет ферменты, которые вступают в реакцию с содержащимися в виниле пластификаторами, что приводит к изменению цвета.  Эти розовые точки очень часто можно называют «корью» Mariott, «сыпью» Radisson и «аллергией» Hyatt.   И здесь мы снова сталкиваемся со 2 законом термодинамики. Когда меня просят устранить проблему с дорогостоящей отделкой дорогих отелей, я отказываюсь останавливаться в их номерах, предпочитая снять номер в La Quinta Inns4, так как в отделке номеров там не используется винил.

Виниловое покрытие стен

Рис. 7. Виниловое покрытие стен в отеле — «Корь» Mariott, «сыпь» Radisson и «аллергия» Hyatt.

Плесень на стенах отеля

Рис. 8. Плесень на стенах отеля – Виниловое покрытие плохо пропускает пар и влагу, в результате задерживая влагу внутри стены и создавая благоприятные условия для роста плесени.

Одна из самых изящных, если можно так выразиться, сторон 2 закона термодинамики состоит в том, что благодаря неумелым действиям строителей и проектировщиков проблемы, с которыми обычно сталкиваются жители южных штатов с влажным климатом, можно вызвать практически на любой территории и в любом климате. Проблемы с накоплением влаги в наружной отделке здания, похоже, мало волнуют строителей, напуганных кризисом на ипотечном рынке. Кирпич, штукатурка, фиброцементный сайдинг, все эти материалы впитывают воду во время дождя, выступая в роли резервуаров, которые заполняются в ходе дождя. Очевидно, что подобные «резервуары» могут накапливать немалый объем влаги с наружной стороны стены.

Кирпич заполняется водой

Схема 2. Кирпич заполняется водой во время дождя и «сбрасывает» воду в обоих направлениях – наружу и внутрь стены.

Солнечные лучи нагревают воду, которая впиталась во внешнюю отделку стены, в результате чего образуется давление пара, направленное в обе стороны от «резервуара» для влаги (см. схему 2). Пар, образующийся при попадании июльского солнца на кирпичную стену здания, расположенного в Чикаго, и устремляющийся внутрь стены, на 200% превышает объем выходящего наружу пара в здании, расположенном на Аляске при погоде минус 40 5. Все это приводит к образованию конденсата на внутренней стороне парового барьера из полиэтилена в таких городах как Чикаго (рисунок 9) и, например, Минеаполис (рисунок 10).

Конденсат на паровом барьере из полиэтилена

Рис. 9. Конденсат на паровом барьере из полиэтилена — Образуемый при попадании солнечных лучей на стену пар может приводить к образованию конденсата с внутренней стороны парового барьера даже в таком холодном климате, как в Чикаго.

Пэт Хельман

Рис. 10. Минеаполис – Пэт Хельман (Pat Huelman) из Университета штата Миннесота демонстрирует плесень, образовавшуюся на внутренней стороне парового барьера в доме с внутренним пластиковым паровым барьером.

Пластиковые паровые барьеры не рекомендуется использовать на внутренней поверхности стен зданий, расположенных в холодном климате. Старожилы интуитивно понимали эту проблему и старались не использовать полиэтилен для этих целей, прибегая к бумажной изоляции. Изоляция с покрытием из крафт-бумаги служит в роли паровой мембраны, а не парового барьера в зонах с холодным климатом (см. рисунок 11). Подобная изоляция позволяет выводить лишнюю влагу из стены внутрь помещения в летние месяцы, что особенно полезно в случае образования пара при нагреве поглощающих воду строительных материалов после дождя. Однако молодое поколение строителей почему-то массово отказалось от этого материала в пользу пластиковых паровых барьеров.

Изоляция с покрытием из крафт-бумаги

Рис. 11. Изоляция с покрытием из крафт-бумаги – Слава старым временам и здравому смыслу! Подобное покрытие «дышит», позволяя выводить лишнюю влагу из стены в зимние месяцы.

Если даже ребята из NASA испытывают сложности со вторым законом термодинамики, то неудивительно, что FEMA, Министерство жилищного строительства и городского развития, администрация отелей и строители допускают ошибки. Мы часто забываем, что у стены две стороны, а в году 4 времени года, а зимой и летом направление движения пара внутри стены может меняться кардинально. Никуда не деться от этого 2 закона термодинамики.


Примечания

  1. На самом деле он сформулировал что-то подобное. Клазиус написал следующее: «тепло само по себе не может переходить от холодного к теплому объекту». Я не придираюсь, работа Клаузиуса над 2-м законом термодинамики – одно из величайших открытий для всего человечества, не уступающее по значению законам Ньютона или теориям Эйнштейна. Но как много людей вообще знают и понимают этот закон? Наверное, их не больше, чем тех, кто понимает теорию относительности Эйнштейна. Законы Ньютона известны и понятны всем. Он проделал большую работу. Спокойнее, мои немецкие друзья, я сознательно не упомянул Лейбница. В моем списке итак уже два немца.
  2. Тепловая диффузия и молекулярная диффузия – это два разных процесса, так что оба заявления являются истинными, однако их разделение не несет значимой смысловой нагрузки. На самом деле большинство случаев применения правила «от тепла к холоду» в строительной науке происходят аналогично правилу «от полного к пустому». Температуру легче почувствовать и проще измерить, так что лучше использовать именно эту характеристику для обнаружения проблем, а не градиент концентрации. Сейчас и тогда движение «от тепла к холоду» происходит в противоположном направлении относительно движения «от пустого к полному», при данных условиях второе правило перекрывает первое. И снова «инженер» внутри меня обязывает сделать замечание «практически верно». Либо вы можете обратиться к психрометрической диаграмме…
  3. Буду с вами до конца честен, сначала я учился на авиа и ракетостроение, но потом, повзрослев, решил перевестись на инженера-строителя.
  4. Quinta с испанского переводится “побизости от Denny’s” (Denny’s сеть ресторанов быстрого питания).
  5. При данной температуре не имеет значения, в какой шкале указаны данные, так при минусовой температуре 40 градусов по Цельсию равняются 40 градусам по Фаренгейту.

Похожие статьи

Список пуст