Эрдынеев Сергей Владимирович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, и.о. доцента кафедры производство строительных материалов и изделий

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЭФФУЗИВНЫХ ПОРОД И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

Энергетическое состояние вещества согласно положениям классической термодинамики характеризуется величиной его внутренней энергии [1,2].

Внутренняя энергия вещества, в свою очередь, есть сумма кинетических энергий, энергия взаимодействия всех атомов или, иначе, это сумма энергий всех степеней свободы структурных элементов и величина ее свидетельствует о природе, строении и свойствах веществ.

Так, с повышением внутренней энергии вещества вследствие, например, подвода к нему тепловой энергии, увеличивается интенсивность теплового движения структурных элементов. На начальной стадии это выражается в увеличении их амплитуды колебаний относительно некоторого устойчивого положения. В дальнейшем наступает превышение кинетической энергии движения структурных элементов над энергией их связи, которое приводит к изменению исходной структуры веществ. Вещества из состояния с относительно упорядоченной структурой переходят в состояние неупорядоченности с одновременным изменением свойств (объем, химическая активность и др.).

При обратном процессе - например, охлаждении, от расплава до температуры 298°К возможно получение принципиально разных твердых тел, различающихся содержанием внутренней энергии. Если процесс охлаждения протекает медленно, то структурные элементы вещества, диссипируя внутреннюю энергию в окружающую среду, медленно снижают интенсивность своего теплового движения, в результате процесс упорядочения структуры протекает в сторону минимального содержания энергии равномерно по всему объему твердого тела. Вероятность образования устойчивой кристаллической структуры, т.е. попадания атомов в устойчивое положение строго определенное электростатическими условиями, более высока, т.к. времени в данном случае на это упорядочение достаточное. В итоге конечное состояние вещества будет менее энергонасыщенным. При резком охлаждении картина обратная - вещество твердого тела будет находиться в некотором взвешенном энергонасыщенном состоянии, при этом, чем более быстро протекло охлаждение, тем более энергонасыщенным оно будет.

Данное положение наглядно иллюстрирует результаты исследований на чистых алюмосиликатных стеклах постоянного состава, образованных при разных условиях охлаждения. Стекло, полученное при охлаждении со средней скоростью 500 град/мин, имеет тепловыделение при растворении в 2500-2520 Дж/г, что на 245-400 Дж/г превышает соответствующее тепловыделение медленноохлажденного стекла со скоростью в 10 раз меньшей -50 град/мин.

Вследствие отличия в энергетическом состоянии веществ, выражающемся в их структуре, естественны отличия и в их свойствах. Так, неустойчивая структура энергонасыщенного предполагает еще большую активность в химических реакциях, ибо составляющие структурные элементы находятся в термодинамически неустойчивом состоянии. Для перевода их в состояние с некомпенсированными связями — основное условие протекания реакции, требуется, безусловно, меньшее количество энергии извне. Это видно из анализа величин энергий экзоэффектов реакций гидратации твердения данных стекол с Са(ОН), который показывает, что чем более неустойчива структура алюмосиликата, тем более экзотермична реакция. А это, указывает на меньшие энергозатраты на активацию процесса, при этом данная разница экзоэффектов или энергий активации между реакциями на основе стекол, полученных охлаждением в 500 град/мин и 50 град/мин, составляет 400-450 Дж/г.

Аналогичные вышерассмотренным стеклам «энергонасыщенные» вещества, которые «законсервировали» в себе повышенную внутреннюю энергию в процессе их образования, могут иметь естественное и искусственное происхождение. Это, например, эффузивные породы - продукты вулканической деятельности, образованные в режиме жесткого охлаждения магмы и имеющие вследствие этого, как правило, неустойчивую стекловидную структуру [3]. Как показывают исследования, для них характерна повышенная энтальпия растворения и близкие к силикатным стеклам термодинамические константы.

Анализ и обработка результатов измерений энтальпии растворения ( Нр) пород в зависимости от содержания стекловидной фазы (С_Сф) и модуля активности (М_а) показывает, что эта взаимосвязь описывается следующей функцией, имеющей экспоненциальный характер:

Нр = Нр°+5.35*С_сф*ехр[-0.46(М_а-6)],

где Нр⁰ - энтальпия растворения пород при С сф = 0%;

С_Сф - содержание стеклофазы пород, в % масс;

М_а - модуль активности породы.

Вышеприведенное указывает на высокий энергетический уровень эффузивных пород. Поэтому обоснованным является постановка вопроса о их использовании в бесцементных вяжущих системах как «консервантов» избыточной энергии. Это позволяет сократить внешние энергозатраты на синтез искусственного камня на основе эффузивных пород за счет их повышенной энергонасыщенности и перейти к энергосберегающим технологиям.

При недостаточной исходной энергонасыщенности алюмосиликатных компонентов вяжущих, направленное искусственное повышение их энергонасыщенности возможно путем использования для этого различных способов активации.

Список литературы

1. Гиббс Дж. Термодинамические работы. М: Гостехиздат. 1960. 578с.

2. Каранетьянц М.Х. Химическая термодинамика. М: Госхимиздат. 1953. 425с.

3. Цыремпилов А.Д., Заяханов М.Е., Хардаев П.К. Эффективные вяжущие и бетоны на основе эффузивных пород. Улан-Удэ, БНЦ СО РАН. 1999. 348С .