Паропроницаемость в чем измеряется
Перейти к содержимому

Паропроницаемость в чем измеряется

  • автор:

​Методы определения паропроницаемости и Ret мембраны

Паропроницаемость – одна из двух основных характеристик мембранной ткани. Её значение говорит о том, как будет «дышать» мембрана во время интенсивной нагрузки. Ret – ещё один способ оценить это свойство мембраны. В статье мы расскажем вам о лабораторных методах измерения этих величин.

Паропроницаемость (г/м2, g/m2) – количество паров воды, которое способен пропустить квадратный метр мембраны. Это цифра, которая характеризует дышимость мембраны, способность выводить испарения от тела из под одежды или предмета снаряжения.

Сопротивление проникновению паров (ret – resistance evaporative thermique, moisture permeability resistance), m2pa/w. Фактически это сопротивление квадратного метра мембраны, оно является обратным понятием паропроницаемости.

263bb4156c1e48c64dd2d451e9c962da.jpg

Чтобы определить паропроницаемость материала производители используют ряд методов. Они значительно отличаются друг от друга и описывают работу мембраны в разных условиях. Именно поэтому мы советуем вам не слепо ориентироваться на цифры паропроницаемости. Уточняйте в каких эксперементах они получены.

JIS L 1099 a1 – вертикально стоящая чашка

24abd83f20f0a97ae142e1eb6774b923.jpg

Абсорбент (хлорид кальция) помещаем в сосуд в форме цилиндра с открытым верхом. Исследуемым образцом плотно закрываем ёмкость сверху – тканью к сосуду, мембраной наружу. Помещаем конструкцию в контролируемые условия – в камеру, где поддерживаем температуру 40°С, относительную влажность 90%.

Под действием разницы концентрации (давления) водяных паров снаружи и внутри сосуда происходит диффузия паров через мембрану внутрь сосуда, где пар абсорбирует хлорид кальция. Через некоторое время взвешиваем осушитель и, сравнивая его вес с весом в начале измерения, выясняем сколько водяных паров прошло через мембрану и соответственно поглощено абсорбентом. Результат экстраполируем до величины g/(m2 24h).

Данный метод ничего не говорит о конденсации. Он показывает поведение мембраны при низких физических нагрузках с низким потоотделением.

bef82ce9dbbe08e81d150dbf95b10d6f.jpg

Модифицированный вариант a1. В данном методе мы наливаем в сосуд воду температурой 40°С. Плотно закрываем сосуд исследуемым образцом – мембраной к сосуду. Помещаем конструкцию в контролируемые условия: температура – 40°С, относительная влажность – 50%. Под действием разницы концентрации (давления) водяных паров внутри сосуда и снаружи происходит диффузия паров через мембрану из сосуда в окружающее пространство. Через определённое время взвешиваем сосуд и, сравнивая его вес с весом в начале измерения, выясняем сколько водяных паров прошло через мембрану.

Данный метод ничего не говорит о конденсации, и характеризует поведение мембраны при низких физических нагрузках с низким потоотделением.

JIS L 1099 b1 – перевернутая чашка

4fda2ba4daa0c0e289614484e3c55acd.jpg

Абсорбент – раствор ацетата калия, помещаем в перевернутый сосуд, закрытый пленкой PTFE (политетрафторэтилен). PTFE настолько водонепроницаем и хорошо дышит, что не оказывает влияния на измерения. Исследуемым образцом плотно закрываем сосуд поверх PTFE – тканью к PTFE и мембраной наружу.

Конструкцию частично погружаем в большую ёмкость с водой. Под действием абсорбционных сил раствора ацетата калия, который непосредственно прилегает к PTFE, происходит диффузия воды через мембрану внутрь абсорбента для выравнивания концентраций в растворах внутри и снаружи. Через некоторое время осушитель взвешиваем и, сравнивая его вес с весом в начале измерения, выясняем, сколько водяных паров прошло через мембрану.

Измерения по данному методу коррелируют с конденсацией – чем больше водяных паров прошло, тем меньше конденсация на мембране, и показывают поведение мембраны в условиях высоких физических нагрузок с высоким потоотделением.

JIS L 1099 b2 – перевернутая чашка без непосредственного контакта с водой

В отличии от метода b1, исследуемый образец закрывается ещё одним слоем PTFE. Тем самым, исключается контакт мембраны с водой в которую она погружена.

ISO 11092:1993 – потеющая тёплая пластина

7df989cd4315b01f63c7cea7df98b789.jpg

Этот метод считается наиболее реалистичным и отражающим условия комфорта в реальных условиях. В нём лабораторные данные сопоставляются с ощущением комфорта людей, выполняющих упражнения или бегущих по беговой дорожке.

Исследуемый образец – мембрану, размещаем на металлизированной пористой тарелке. Тарелка подогревается, а через мелкие отверстия в тарелке подается вода температурой 35°С – так мы имитируем процесс потоотделения. Снаружи конструкция обдувается потоком воздуха с контролируемыми параметрами. В процессе измерений температуру тарелки поддерживаем на постоянном уровне.

По мере того, как вода проходит через мембрану, она испаряется. На испарение воды тратится энергия тарелки, для поддержания постоянной температуры тарелки мы её снова и снова подогреваем. Ret рассчитываем исходя из количества энергии, которую мы затрачиваем на поддержание постоянной температуры пластины. Чем больше энергии, тем интенсивнее испарение через мембрану, а значит ткань оказывает меньшее сопротивление парам воды. Меньше сопротивление – больше паропроницаемость, т.е. чем меньше ret, тем лучше.

Теперь вы можете оценить существенное несоответствие результатов, получаемых разными методами. Так показатели a1 и b1 никак не коррелируют – цифра по a1 ничего не говорит о том, что показывает b1. Методы b1 и ISO 11092 по сути близки, но о каких-то конкретных соотношениях говорить трудно – их не вычислить по какой-либо формуле. Производители же указывают одинаковые единицы: 10 000, 20 000 и т.д.


Так же не стоит забывать о том, что со временем и даже после первой носки, показатели мембраны падают. И только добросовестные производители учитывают этот факт в публикуемых характеристиках мембраны.

Что такое паропроницаемость?

Паропроницаемость - фото

Для многих паропроницаемость действительно остается одной из самых загадочных характеристик. Про неё вспоминают, когда хотят принизить свойства какого-то материала или, наоборот, преувеличить. Но на самом деле для утепления дома, стен паропроницаемость — один из важнейших параметров , используемых при расчете. Сегодня мы расскажем и покажем простым языком, что такое паропроницаемость материалов .

Определение

Паропроницаемость — способность материла пропускать через себя пар и характеризуется величиной коэффициента или величиной сопротивления при воздействии водяного пара. Коэффициент паропроницаемости измеряется в мг/(м·ч·Па). Его указывают в характеристиках материалов — это относительная величина по сравнению с воздухом. У воздуха коэффициент 1 , а у утеплителей на основе минеральной ваты 0,5 . Это значит, что такие утеплители пропускают пар в два раза хуже воздуха.

Паропроницаемость материалов определяет всю конструкцию утепления.

«Дыхание» стен

Стены обладает той самой паропроницаемостью. Даже если они изготовлены из самого непроницаемого материала, например, бетона, пар все равно будет проходить, хоть и в небольших количествах. Существует легенда о «дышащей стене», и сказания о «здоровом дыхании шлакоблока, которое создает неповторимую атмосферу в доме». На самом деле паропроницаемость стены небольшая, количество пара проходящего через нее незначительно, и гораздо меньше, чем количество пара переносимое воздухом, при его обмене в помещении. На улице зима и холодно, а значит парциальное давление ниже, чем в доме. Внутри дома тепло, мы постоянно что-то готовим, принимаем душ и дышим, выделяя пар. Газ стремится покинуть помещение через места с наименьшим сопротивлением, т. е. через вентиляцию. Если стены пористые (деревянные, газобетонные), то небольшая часть пара выходит через них. Происходит диффузия пара через стену и утеплитель, влага движется от теплого участка к более холодным. В каком-то месте пар конденсируется в воду, это место называется точкой росы. Расположение точки росы зависит от температуры и влажности. Точка росы - фото

Основное правило утепления — паропрозрачность слоев должна увеличиваться по направлению наружу. Тогда в холодное время года, с большей вероятностью, не произойдет накопление воды в слоях, когда конденсация будет происходить в точке росы.

Присутствие определенного количество влаги внутри стены не является проблемой, опасно накопление воды внутри стены. Для этого при расчете теплового контура точку росы выносят на утеплитель, если это не сказывается на его свойствах. Некоторые стены закрывают слоем пароизоляции. Чтобы не произошло катастрофы с намоканием стен, достаточно вспомнить о том, что внутренний слой должен наиболее упорно сопротивляться пару, и исходя из этого для внутреннего утепления применить экструдированный пенополистирол толстым слоем — материал с очень низкой паропроницаемостью.

Сравнительная таблица паропроницаемости различных материалов
Материал Коэффициент паропроницаемости,
мг/(м*ч*Па)
Железобетон 0,03
Бетон 0,03
Раствор цементно-песчаный (или штукатурка) 0,09
Раствор цементно-песчано-известковый (или штукатурка) 0,098
Раствор известково-песчаный с известью (или штукатурка) 0,12
Керамзитобетон, плотность 1800 кг/м3 0,09
Керамзитобетон, плотность 1000 кг/м3 0,14
Керамзитобетон, плотность 800 кг/м3 0,19
Керамзитобетон, плотность 500 кг/м3 0,30
Кирпич глиняный, кладка 0,11
Кирпич, силикатный, кладка 0,11
Кирпич керамический пустотелый (1400 кг/м3 брутто) 0,14
Кирпич керамический пустотелый (1000 кг/м3 брутто) 0,17
Крупноформатный керамический блок (тёплая керамика) 0,14
Пенобетон и газобетон, плотность 1000 кг/м3 0,11
Пенобетон и газобетон, плотность 800 кг/м3 0,14
Пенобетон и газобетон, плотность 600 кг/м3 0,17
Пенобетон и газобетон, плотность 400 кг/м3 0,23
Плиты фибролитовые и арболит, 500-450 кг/м3 0,11 ( СП )
Плиты фибролитовые и арболит, 400 кг/м3 0,26 ( СП )
Арболит, 800 кг/м3 0,11
Арболит, 600 кг/м3 0,18
Арболит, 300 кг/м3 0,30
Гранит, гнейс, базальт 0,008
Мрамор 0,008
Известняк, 2000 кг/м3 0,06
Известняк, 1800 кг/м3 0,075
Известняк, 1600 кг/м3 0,09
Известняк, 1400 кг/м3 0,11
Сосна, ель поперек волокон 0,06
Сосна, ель вдоль волокон 0,32
Дуб поперек волокон 0,05
Дуб вдоль волокон 0,30
Фанера клееная 0,02
ДСП и ДВП, 1000-800 кг/м3 0,12
ДСП и ДВП, 600 кг/м3 0,13
ДСП и ДВП, 400 кг/м3 0,19
ДСП и ДВП, 200 кг/м3 0,24
Пакля 0,49
Гипсокартон 0,075
Плиты из гипса (гипсоплиты), 1350 кг/м3 0,098
Плиты из гипса (гипсоплиты), 1100 кг/м3 0,11
Минвата, каменная, 180 кг/м3 0,3
Минвата, каменная, 140-175 кг/м3 0,32
Минвата, каменная, 40-60 кг/м3 0,35
Минвата, каменная, 25-50 кг/м3 0,37
Минвата, стеклянная, 85-75 кг/м3 0,5
Минвата, стеклянная, 60-45 кг/м3 0,51
Минвата, стеклянная, 35-30 кг/м3 0,52
Минвата, стеклянная, 20 кг/м3 0,53
Минвата, стеклянная, 17-15 кг/м3 0,54
Пенополистирол экструдированный (ЭППС, XPS) 0,005 ( СП ); 0,013; 0,004 ( . )
Пенополистирол (пенопласт), плита, плотность от 10 до 38 кг/м3 0,05 ( СП )
Пенополистирол, плита 0,023 ( . )
Эковата целлюлозная 0,30; 0,67
Пенополиуретан, плотность 80 кг/м3 0,05
Пенополиуретан, плотность 60 кг/м3 0,05
Пенополиуретан, плотность 40 кг/м3 0,05
Пенополиуретан, плотность 32 кг/м3 0,05
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 800 кг/м3 0,21
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 600 кг/м3 0,23
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 500 кг/м3 0,23
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 450 кг/м3 0,235
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 400 кг/м3 0,24
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 350 кг/м3 0,245
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 300 кг/м3 0,25
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 250 кг/м3 0,26
Керамзит (насыпной, т.е. гравий), 200 кг/м3 0,26; 0,27 ( СП )
Песок 0,17
Битум 0,008
Полиуретановая мастика 0,00023
Полимочевина 0,00023
Вспененный синтетический каучук 0,003
Рубероид, пергамин 0 — 0,001
Полиэтилен 0,00002
Асфальтобетон 0,008
Линолеум (ПВХ, т.е. ненатуральный) 0,002
Сталь 0
Алюминий 0
Медь 0
Стекло 0
Пеностекло блочное 0 (редко 0,02)
Пеностекло насыпное, плотность 400 кг/м3 0,02
Пеностекло насыпное, плотность 200 кг/м3 0,03
Плитка (кафель) керамическая глазурованная ≈ 0
Плитка клинкерная низкая ; 0,018
Керамогранит низкая
ОСП (OSB-3, OSB-4) 0,0033-0,0040

Паропроницаемость материалов

Паропроницаемостью по СП 23-101-2000 называется свойство материала пропускать влагу воздуха под действием перепада (разницы) парциальных давлений водяного пара в воздухе на внутренней и наружной поверхности слоя материала. Давления воздуха с обеих сторон слоя материала при этом одинаковые. Плотность стационарного потока водяного пара G п (мг/м² час), проходящего в изотермических условиях через слой материала толщиной 5(м) в направлении уменьшения абсолютной влажности воздуха равна G п = μ∆р п /δ, где μ (мг/м час Па) — коэффициент паропроницаемости, ∆р п (Па) — разность парциальных давлений водяного пара в воздухе у противоположных поверхностей слоя материала. Величина, обратная μ, называется сопротивлением паропроницанию R п =δ/μ и относится не к материалу, а слою материала толщиной δ. В отличие от воздухопроницаемости, термин «паропроницаемость» — это абстрактное свойство, а не конкретная величина потока водяного пара, что является терминологическим недочётом СП 23-101-2000. Правильней было бы называть паропроницаемостью величину плотности стационарного потока водяного пара G п через слой материала.

Если при наличии перепадов давления воздуха пространственный перенос водяных паров осуществляется массовыми движениями всего воздуха целиком вместе с парами воды (ветром) и оценивается с помощью понятия воздухопроницания, то при отсутствии перепадов давления воздуха массовых перемещений воздуха нет, и пространственный перенос водяных паров происходит путем хаотического движения молекул воды в неподвижном воздухе в сквозных каналах в пористом материале, то есть не конвективно, а диффузионно. Воздух представляет собой смесь молекул азота, кислорода, углекислого газа, аргона, воды и других компонентов с примерно одинаковыми средними скоростями, равными скорости звука. Поэтому все молекулы воздуха диффундируют (хаотически перемещаются из одной зоны газа в другую, непрерывно соударяясь с другими молекулами) примерно с одинаковыми скоростями. Так что скорость перемещения молекул воды сопоставима со скоростью перемещения молекул и азота, и кислорода. Вследствие этого европейский стандарт EN12086 использует вместо понятия коэффициента паропроницаемости μ более точный термин коэффициента диффузии (который численно равен 1,39μ) или коэффициента сопротивления диффузии 0,72/μ.

Сущность понятия паропроницаемости поясняет метод определения численных значений коэффициента паропроницаемости ГОСТ 25898-83. Стеклянную чашку с дистиллированной водой герметично накрывают испытуемым листовым материалом, взвешивают и устанавливают в герметичный шкаф, расположенный в термостатированном помещении (рис. 20). В шкаф закладывают осушитель воздуха (концентрированный раствор азотнокислого магния, обеспечивающий относительную влажность воздуха 54%) и приборы для контроля температуры и относительной влажности воздуха (желательны ведущие непрерывную запись термограф и гигрограф). После недельной выдержки чашку с водой взвешивают, и по количеству испарившейся (прошедшей через испытуемый материал) воды рассчитывают коэффициент паропроницаемости. При расчетах учитывается, что паропроницаемость самого воздуха (между поверхностью воды и образцом) равна 1 мг/м час Па. Парциальные давления водяных паров принимают равными р п = ϕр 0 , где р 0 — давление насыщенного пара при заданной температуре, ϕ — относительная влажность воздуха, равная единице (100%) внутри чашки над водой и 0,54 (54%) в шкафу над материалом.

Принцип измерения паропроницаемости строительных материалов
Рис. 20. Принцип измерения паропроницаемости строительных материалов. 1 — стеклянная чашка с дистиллированной водой, 2 — стеклянная чашка с осушающим составом (концентрированным раствором азотнокислого магния), 3 — изучаемый материал, 4 — герметик (пластилин или смель парафина с канифолью), 5 — герметичный термостатированный шкаф, 6 — термометр, 7 — гигрометр

Данные по паропроницаемости приведены в таблицах 4 и 5. Напомним, что парциальное давление паров воды является отношением числа молекул воды в воздухе к общему числу молекул (азота, кислорода, углекислого газа, воды и т. п.) в воздухе, т. е. относительным счётным количеством молекул воды в воздухе. Приведённые значения коэффициента теплоусвоения (при периоде 24 часа) материала в конструкции вычислены по формуле s=0,27(λp 0 C 0 ) 0,5 , где λ, р 0 и С 0 — табличные значения коэффициента теплопроводности, плотности и удельной теплоёмкости.

Таблица 5: Сопротивление паропроницанию листовых материалов и тонких слоев пароизоляции (приложение 11 к СНиП II-3-79*)

Материал Толщина слоя, мм Сопротивление паропроницанию, м² час Па/мг
Картон обыкновенный 1,3 0,016
Листы асбестоцементные 6 0,3
Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка) 10 0,12
Листы древесно-волокнистые жесткие 10 0,11
Листы древесно-волокнистые мягкие 12,5 0,05
Пергамин кровельный 0,4 0,33
Рубероид 1,5 1,1
Толь кровельный 1,9 0,4
Полиэтиленовая пленка 0,16 7,3
Фанера клееная трехслойная 3 0,15
Окраска горячим битумом за один раз 2 0,3
Окраска горячим битумом за два раза 4 0,48
Окраска масляная за два раза с предварительной шпатлевкой и грунтовкой 0,64
Окраска эмалевой краской 0,48
Покрытие изольной мастикой за один раз 2 0,60
Покрытие бутумно-кукерсольной мастикой за один раз 1 0,64
Покрытие бутумно-кукерсольной мастикой за два раза 2 1,1

Пересчёт давлений из атмосфер (атм) в паскали (Па) и килопаскали (1кПа = 1000 Па) ведётся с учётом соотношения 1 атм = 100 000 Па. В банной практике значительно более удобно характеризовать содержание водяного пара в воздухе понятием абсолютной влажности воздуха (равной массе влаги в 1 м³ воздуха), поскольку оно наглядно показывает, сколько воды надо поддать в каменку (или испарить в парогенераторе). Абсолютная влажность воздуха равна произведению значений относительной влажности и плотности насыщенного пара:

Температура °С 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Плотность насыщенного пара d 0 , кг/м³ 0,005 0,017 0,03 0,05 0,08 0,13 0,20 0,29 0,41 0,58
Давление насыщенного пара р 0 , атм 0,006 0,023 0,042 0,073 0,12 0,20 0,31 0,47 0,69 1,00
Давление насыщенного пара р 0 , кПа 0,6 2,3 4,2 7,3 12 20 31 47 69 100

Поскольку характерный уровень абсолютной влажности воздуха в банях 0,05 кг/м³ соответствует парциальному давлению водяных паров 7300 Па, а характерные значения парциальных давлений водяных паров в атмосфере (на улице) составляют при 50%-ной относительной влажности воздуха 1200 Па летом (20°С) и 130 Па зимой (-10°С), то характерные перепады парциальных давлений водяных паров на стенах бань достигают значений 6000-7000 Па. Отсюда следует, что типичные уровни потоков водяных паров через брусовые стены бань толщиной 10 см составляют в условиях полного штиля (3-4) г/м²час, а в расчёте на 20 м² стен — (60-80) г/час. Это не столь уж и много, если учесть, что в бане объёмом 10 м³ содержится около 500 г водяных паров. Во всяком случае при воздухопроницаемости стен во время сильных (10 м/сек) порывов ветра (1-5-10) кг/м² час перенос водяных паров ветром через брусовые стены может достигать (50-500) г/м² час. Всё это означает, что паропроницаемость брусовых стен и потолков бань не снижает существенно влажность древесины, намоченной горячей росой при поддачах, так что потолок в паровой бане и в самом деле может намокать и работать как парогенератор, преимущественно увлажняющий только воздух в бане, но лишь при тщательной защите потолка от порывов ветра.

Если же баня холодная, то перепады давлений водяных паров на стенах бани не могут превышать летом 1000 Па (при 100%-ной влажности внутри стены и 60%-ной влажности воздуха на улице при 20°С). Поэтому характерная скорость высушивания брусовых стен летом за счёт паропроницания находится на уровне 0,5 г/м² час, а за счёт воздухопроницаемости при легком ветре 1 м/сек — (0,2-2) г/м² час и при порывах ветра 10 м/сек — (20- 200) г/м² час (хотя внутри стен движения масс воздуха происходят со скоростями менее 1 мм/сек). Ясно, что процессы паропроницания становятся существенными в балансе влаги лишь при хорошей ветрозащите стен здания. Таким образом, для быстрых просушиваний стен здания (например, после аварийных протечек кровли) лучше предусматривать внутри стен продухи (каналы вентилируемого фасада). Так, если в закрытой бане намочить внутреннюю поверхность брусовой стены водой в количестве 1 кг/м², то такая стена, пропуская через себя водяные пары наружу, просохнет на ветру за несколько суток, но если брусовая стена оштукатурена снаружи (то есть ветроизолирована), то она просохнет без протопки лишь за несколько месяцев. К счастью, древесина очень медленно пропитывается водой, поэтому капли воды на стене не успевают проникнуть глубоко в древесину, и столь долгие просушки стен не характерны. Но если венец сруба лежит в луже на цоколе или на мокрой (и даже влажной) земле неделями, то последующая просушка возможна только ветром через щели.

В быту (и даже в профессиональном строительстве) именно в области пароизоляции имеется наибольшее количество недоразумений, порой самых неожиданных. Так, например, часто считают, что горячий банный воздух якобы «сушит» холодный пол, а холодный промозглый воздух из подполья «впитывается» и якобы«увлажняет» пол, хотя все происходит как раз наоборот. Или, например, всерьёз полагают, что теплоизоляция (стекловата, керамзит и т. п.) «всасывает» влагу и тем самым «высушивает» стены, не задаваясь вопросом о дальнейшей судьбе этой якобы бесконечно «всасываемой» влаги. Подобные житейские соображения и образы опровергать в быту бесполезно, хотя бы потому, что в общенародной среде никто всерьёз (а тем более во время «банного трёпа») природой явления паропроницаемости не интересуется. Но если дачник, имея соответствующее техническое образование, на самом деле хочет разобраться, как и откуда проникают водяные пары в стены и как оттуда выходят, то ему придётся, прежде всего, оценить реальное содержание влаги в воздухе во всех зонах интереса (внутри и вне бани), причём объективно выраженное в массовых единицах или парциальном давлении, а затем, пользуясь приведёнными данными по воздухопроницаемости и паропроницаемости определить, как и куда перемещаются потоки водяного пара и могут ли они конденсироваться в тех или иных зонах с учётом реальных температур. С этими вопросами мы и будем знакомиться в следующих разделах. Подчеркнём при этом, что для ориентировочных оценок можно пользоваться следующими характерными величинами перепадов давления:

— перепады давлений воздуха (для оценки переноса паров воды вместе с массами воздуха — ветром) составляют от (1-10) Па (для одноэтажных бань или слабых ветров 1 м/сек), (10-100) Па (для многоэтажных зданий или умеренных ветров 10 м/сек), более 700 Па при ураганах;
— перепады парциальных давлений водяных паров в воздухе от 1000Па (в жилых помещениях) до 10000Па (в банях).

В заключение отметим, что в народе часто путают понятия гигроскопичности и паропроницаемости, хотя они имеют совершенно разный физический смысл. Гигроскопические («дышащие») стены впитывают водяные пары из воздуха, превращая пары воды в компактную воду в очень мелких капиллярах (порах), несмотря на то, что парциальное давление паров воды может быть ниже давления насыщенных паров. Паропроницаемые же стены просто пропускают через себя пары воды без конденсации, но если в какой-то части стены имеется холодная зона, в которой парциальное давление водяных паров становится выше давления насыщенных паров, то конденсация, конечно же, возможна точно также, как и на любой поверхности. При этом паропроницаемые гигроскопические стены увлажняются сильнее, чем паропроницаемые негигроскопические.

Источник: health.totalarch.com. Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Конвертер величин

Перевести единицы: паропроницаемость (0°C) в нанограмм/паскаль/секунда/метр² [нг·с⁻¹·м⁻²·Па⁻¹]

1 паропроницаемость (0°C) = 57,2135 нанограмм/паскаль/секунда/метр² [нг·с⁻¹·м⁻²·Па⁻¹]
Исходная величина
Преобразованная величина

Электрический заряд

Подробнее о проникании, проницаемости и относительной проницаемости

Мембрана типа молекулярного сита

Общие сведения

Деревянный гонт, установленный на фанере и накрытый рубероидом с проницаемостью в 5 перм.

Деревянный гонт, установленный на фанере и накрытый рубероидом с проницаемостью в 5 перм.

В этой статье мы обсудим три связанных между собой понятий: проникание, проницаемость и относительную проницаемость. Проникание — процесс проникновения одного вещества в другое, как можно догадаться из названия. Обычно вещества, которые проникают в другие вещества — это жидкости, газы или пары. Те вещества, внутрь которых проникают эти жидкости, газы и пары — в основном твердые тела. Проницаемость — свойство вещества, определяющее насколько в него может проникнуть другое вещество. Обычно проницаемость измеряют при определенных температуре и давлении и за определенное время, так как изменение этих параметров может повлиять на проницаемость. Относительная проницаемость связана с проницаемостью, но определяет насколько в определенное тело с указанной толщиной могут проникнуть жидкость, газ, или пар.

Главное отличие между проницаемостью и относительной проницаемостью в том, что обе эти величины измеряют уровень проникновения жидкости, газа или пара в другое вещество, но проницаемость — это общее свойство вещества пропускать другие вещества, в то время как относительная проницаемость определяет, насколько конкретный материал с определенной толщиной пропускает через себя другое вещество. То есть, относительная проницаемость — свойство конкретного барьера или мембраны определенной толщины, а проницаемость — свойство материала, из которого этот барьер или мембрана изготовлены.

Изоляция в строительстве

В строительстве необходимо изолировать комнаты внутри дома от дождя, снега и влажности в окружающей среде. Это нужно для комфорта людей, живущих в доме, а также чтобы защитить от влаги неводостойкие предметы в помещении, например бытовую технику и мебель. Кроме этого, в современных домах часто внутри стен устанавливают теплоизоляцию, которая при намокании перестает правильно функционировать. Чтобы защитить эту изоляцию от влаги, необходимо предотвратить ее соприкосновение с влажным воздухом или водой из комнат. Для этого внутри стен устанавливают мембраны и барьеры с низкой относительной проницаемостью.

Чаще всего для таких барьеров применяют пластмассы, но можно также использовать водостойкие краски, некоторые виды фанеры, фольгу, и другие материалы. Мембраны бывают непроницаемыми, или с частичной проницаемостью, в зависимости от их назначения. Они либо отгораживают наружную сторону стены от пространства внутри стены, либо полностью герметизируют слой теплоизоляционного материала в стене.

Picture

Проницаемость в добыче газа и нефти

Проницаемость горных пород — важное свойство в добыче углеводородов — нефти и газа. Углеводородное топливо образуется из органических остатков животного и растительного биоматериала во время длительного природного процесса под воздействием высокой температуры и давления. Вначале останки животных и растений скапливаются на дне водоемов, рек и морей. Постепенно они оказываются погребены под наслоениями ила, и чем глубже они погружаются, тем выше температура и давление. Со временем из них образуются нефть и газ. Горные породы, в которых образуются и хранятся углеводороды, а также породы над нефтяными и газовыми пластами пропускают, или, наоборот, не позволяют нефти и газу подняться вверх, в зависимости от двух важных свойств этих пород: пустотности и проницаемости.

Горная порода на верхней иллюстрации очень пориста и ее поры заполнены нефтью, изображенной черным цветом. Порода на нижнем изображении обладает низкой пористостью, и в ней содержится очень мало нефти.

Горная порода на верхней иллюстрации очень пориста и ее поры заполнены нефтью, изображенной черным цветом. Порода на нижнем изображении обладает низкой пористостью, и в ней содержится очень мало нефти.

Пустотность

Для того, чтобы в горной породе образовались нефть или газ, необходимо несколько условий. Во-первых, горная порода, обладающая способностью накапливать нефть или газ, должна быть достаточно пористой, чтобы дать углеводородам проникнуть внутрь. То есть, в породе должны быть отверстия или поры, так что большая часть объема породы состоит из полостей. Про такую породу говорят, что у нее высокая пустотность. На изображении верхняя порода как раз очень пориста, и пустые места в ней заполнены нефтью, которая изображена черным цветом. У нижней породы, наоборот, очень низкая пустотность, и в ней очень мало нефти. Кстати, следует заметить, что порода, обладающая способностью накапливать нефть и газ — не обязательно материнская порода, внутри которой из органических останков образуются нефть и газ. Вполне возможно, что нефть и газ переместились в нефтегазоносный пласт из материнской породы, особенно если у нее высокая проницаемость.

Проницаемость

В обеих породах, изображенных коричневым цветом, есть поры и полости, заполненные нефтью, которая обозначена черным цветом. Поры верхней породы соединены между собой, и нефть легко попадает внутрь и вытекает из этой породы. Полости во второй породе почти не соединены между собой, поэтому нефть остается внутри. Проницаемость нижней породы намного ниже верхней.

В обеих породах, изображенных коричневым цветом, есть поры и полости, заполненные нефтью, которая обозначена черным цветом. Поры верхней породы соединены между собой, и нефть легко попадает внутрь и вытекает из этой породы. Полости во второй породе почти не соединены между собой, поэтому нефть остается внутри. Проницаемость нижней породы намного ниже верхней.

Если нефть и газ могут легко перемещаться вверх и просачиваться через все слои горных пород, от материнской и до поверхности, то углеводороды в конце концов вытекут на поверхность и собрать их будет очень сложно или совсем невозможно. Чтобы этого не произошло, нужен изоляционный экран или механизм, который остановит утечку нефти и газа, и соберет эти углеводороды в одном месте. Это может быть механизм в самом нефтегазоносном пласте, или дополнительный слой породы вокруг этого пласта, называемый флюидоупором, который предотвращает движение нефти и газа вверх. В первом случае — нефтегазоносный пласт, а во втором случае — флюидоупор должны иметь низкую проницаемость. Для этого либо силы внутри капилляров и полостей должны предотвращать движение по ним жидкости и газа, либо полости внутри породы должны быть не соединены между собой, замуровывая внутри газ и нефть. На верхнем изображении поры породы хорошо соединены между собой и нефть (изображенная черным цветом) легко из нее вытекает, то есть у породы высокая проницаемость. Полости у нижней породы почти не соединены, и проницаемость этой породы — низкая. Нефть почти не может вытечь из этой породы. Такая порода похожа на твердую «губку», внутри которой находятся газ и нефть. Если эта «губка» проницаема, но нефть и газ не вытекают на поверхность, то над этой «губкой» — экран, не пропускающий вверх углеводороды.

У флюидоупора должна быть низкая проницаемость, чтобы нефть и газ не могли через нее просочиться. Другой способ избежать утечки нефти и газа — сочетание флюидоупора и нефтегазоносного пласта с низкой проницаемостью. Нередко под отложениями нефти и газа — вода. Она не дает углеводородам просочиться вниз.

Нефть, изображенная черным цветом (B) и газ, изображенный серым (A), находятся внутри ловушки, под флюидоупором (A и E). Под газом — вода (D). Верхняя ловушка сформирована в процессе складкообразования, а нижняя — в процессе разлома.

Нефть, изображенная черным цветом (B) и газ, изображенный серым (A), находятся внутри ловушки, под флюидоупором (A и E). Под газом — вода (D). Верхняя ловушка сформирована в процессе складкообразования, а нижняя — в процессе разлома.

Такая геологическая структура называется нефтяной ловушкой. На иллюстрации изображен пример такой ловушки. Ловушки образуются в горной породе в результате геологических процессов, например смещения расколовшейся породы, называемое разломом (нижняя ловушка на иллюстрации), или в процессе поднятия горной породы вверх, называемом складкообразованием (верхняя ловушка на иллюстрации). До тех пор, пока верхняя порода не пропускает нефть и газ, они остаются в ловушке. Ловушки нередко образуются в осадочных породах, то есть в горных породах, образованных из органических и неорганических веществ, оседающих на дне водоемов, рек и морей. Некоторые ученые считают, что ловушки могут образовываться при перепадах давления воды, но не все согласны с этой теорией. На иллюстрации нефть и газ показаны черным (B) и серым (C) цветом, соответственно, а флюидоупоры обозначены буквами A и E.

Низкая проницаемость нефтегазоносного пласта

Если нефтегазоносный пласт выполняет роль флюидоупора, то у него должна быть низкая проницаемость и высокая пористость, чтобы нефти и газу было где храниться. Конфигурация капилляров, которые выходят на поверхность породы с низкой проницаемостью, создает систему, в которой сила, выталкивающая жидкость вверх, равна силе, предотвращающей это движение жидкости вверх. То есть, система находится в равновесии, когда жидкость остается внутри породы. Кроме такого варианта, возможно также, что полости горной породы не соединены между собой, и нефть и газ просто не могут из нее вытечь, как было описано выше. В последнем случае при добыче газа или нефти необходимо искусственно соединить эти полости, чтобы обеспечить доступ к газу и нефти.

Хороший пример вещества с низкой проницаемостью и высокой пористостью — мука. Если налить на муку нефть или другую жидкость, не смешивая муку, то есть, не изменяя конфигурацию полостей между крупинками муки, то жидкость почти не просочится внутрь. Если же муку перемешать с жидкостью, то жидкость после этого останется внутри и не выйдет наружу. Пример нефтегазоносного пласта с похожими свойствами — глинистый сланец. Это — осадочная порода, в составе которой содержатся частицы глины.

Проблема с материалами, такими как мука и глинистый сланец, в том, что жидкости очень трудно проникнуть в полости, поэтому глинистый сланец и подобные нефтегазоносные пласты могут хранить внутри углеводороды только в том случае, если они смешались с породой (например если нефть смешалась с песком), или если углеводороды сформировались одновременно с образованием самой породы. Если нефтегазоносный пласт — глинистый сланец, то обычно происходит именно так. Органические и неорганические останки оседают на дне водоема, и из них одновременно формируются глинистый сланец и углеводороды. Иногда формирование углеводородов продолжается уже после того, как глинистый сланец сформировался. В процессе формирования, углеводороды занимают место внутри горной породы, и таким образом обеспечивают пористость этой породы.

Добывать нефть и газ из нефтегазоносных пластов с низкой проницаемостью нелегко, так как углеводороды не могут свободно вытечь из породы. Для того, чтобы извлечь углеводороды, используют различные технологии, описанные ниже.

Добыча углеводородов

Чтобы извлечь из нефтегазоносных пластов нефть и газ необходимо пробурить скважину, которая будет ниже глубины ловушки. Чтобы укрепить скважину, осуществляют обсадку и цементацию скважины, при этом в районах скопления углеводородов используют перфорированные обсадные трубы, так как углеводороды обычно распределены неоднородно по длине скважины. Иногда в ловушке достаточно давления, чтобы вытолкнуть нефть или газ из скважины — в этом случае углеводороды просто собирают на поверхности, но это бывает редко. Чаще естественного давления в ловушке недостаточно, и его создают искусственно. В некоторых случаях используют насосы, а иногда в скважину закачивают воду или другие жидкости, чтобы вытеснить с их помощью нефть или газ. Иногда при добыче нефти ее вытесняют природным газом.

Нефть и газ добывают с помощью скважин, изображенных красным цветом. Когда вертикальных скважин становится недостаточно, бурят горизонтальные скважины. Если и этого недостаточно, проницаемость породы искусственно увеличивают, создавая в ней трещины с помощью процесса гидравлического разрыва пласта.

Нефть и газ добывают с помощью скважин, изображенных красным цветом. Когда вертикальных скважин становится недостаточно, бурят горизонтальные скважины. Если и этого недостаточно, проницаемость породы искусственно увеличивают, создавая в ней трещины с помощью процесса гидравлического разрыва пласта.

Изначально скважины бурили вертикально вниз, но в последнее время к вертикальным скважинам часто добавляют горизонтальные стволы, особенно в ловушках из пород с низкой проницаемостью. На иллюстрации показаны именно такие горизонтальные скважины, так как у изображенного здесь нефтегазоносного пласта низкая проницаемость.

Чтобы увеличить добычу нефти из такой породы, можно также искусственно увеличить ее проницаемость. Один из способов — пробить в нефтегазоносном пласте трещины, и обсадить их так, чтобы через них могли вытекать нефть и газ. Гидравлический разрыв пласта или ГРП — как раз такой процесс. Он изображен на иллюстрациях, а на крупном плане можно более подробно увидеть трещины, нарисованные красным цветом.

Крупный план процесса гидравлического разрыва пласта. Смесь жидкости и проппанта, то есть песка или других подобных частиц, подают в скважину под большим давлением. При этом порода растрескивается и проппант держит щели открытыми, что позволяет нефти и газу свободно вытекать в скважину.

Крупный план процесса гидравлического разрыва пласта. Смесь жидкости и проппанта, то есть песка или других подобных частиц, подают в скважину под большим давлением. При этом порода растрескивается и проппант держит щели открытыми, что позволяет нефти и газу свободно вытекать в скважину.

В процессе гидравлического разрыва пласта в скважину под высоким давлением закачивают воду, смешанную с песком или керамическими частицами. Вода проникает в породу через отверстия в скважине, и пробивает в ней щели благодаря высокому давлению. Песок или частицы, выполняющие роль расклинивающего агента и называемые проппантом, не дают трещинам закрыться даже после того, как жидкость ушла из скважины. Чтобы равномерно распределить проппант по объему жидкости, часто используют гель и другую жидкость с более высокой, чем у воды, вязкостью.

Гидравлический разрыв пласта используют в новых скважинах, но этот метод также удобен для того, чтобы добыть из заброшенных скважин нефть и газ, которые невозможно было добыть до появления этой технологии. Экологи связывают с технологией гидравлического разрыва пласта ряд проблем, включая отходы переработки и загрязнение воды, почвы и окружающего воздуха. Все они представляют опасность для окружающей среды и здоровья людей. Несмотря на это, технологию гидравлического разрыва пласта продолжают использовать благодаря высокой выработке на участках с низкой проницаемостью.

Проницаемость в медицине и в индивидуальных средствах защиты

Picture

Контакт медикаментов с жидкостями или паром часто понижает их эффективность, и поэтому в медицине часто используют средства, которые помогают уменьшить или ограничить такой контакт. Кроме этого, контакт кожи и органов, особенно открытых ран, с жидкостью и паром повышает вероятность бактериальной или вирусной инфекции. Чтобы обеспечить безопасность и эффективность медикаментов, медицинских процедур и медицинского обслуживания в целом, для хранения лекарственных препаратов и инструментов, а также для защитных перчаток, масок, ленты, и подобных защитных средств используют материалы с низкой проницаемостью.

Проницаемость — также важный фактор при усвоении лекарственных препаратов организмом. В некоторых случаях, чтобы понять, насколько эффективны лекарственные препараты, исследуют какие вещества пропускаются, а какие — фильтруются мембранами в организме. На основе этих знаний можно изменить лекарство так, чтобы оно лучше, или, наоборот, хуже проходило через внутренние мембраны. Некоторые лекарственные и диагностические препараты предназначены для нервной системы, и поэтому им необходимо преодолеть защитный механизм, гематоэнцефалический барьер. Этот барьер защищает мозг и центральную нервную систему от инфекции. Организм контролирует проницаемость этого барьера биологическими и механическими путями. Его проницаемость — достаточно низкая, но лекарственные препараты должны этот барьер проходить. Нередко обеспечить эту проходимость — трудная задача для фармацевтических компаний, которые создают препараты для центральной нервной системы и мозга, например для диагностики и лечения опухолей мозга. Один из путей к решению этой проблемы, который сейчас исследуют — с помощью нанотехнологий. Некоторые лекарства, наоборот, не должны проходить через этот барьер.

Обычно проходимость гематоэнцефалического барьера зависит от необходимости защитить мозг от инфекции и от процессов в организме в целом, но некоторые заболевания могут ослабить этот барьер, увеличив риск инфекции. Обратное тоже возможно — некоторые заболевания уменьшают проходимость барьера, что не дает необходимым для мозга веществам, например глюкозе, попасть в центральную нервную систему в достаточном количестве.

Кожа — один из барьеров с низкой проницаемостью, используемый организмом как средство защиты

Кожа — один из барьеров с низкой проницаемостью, используемый организмом как средство защиты

Кожа — еще один барьер с низкой проницаемостью в организме. С одной стороны, кожа не пропускает в организм некоторые вещества, но с другой стороны, кожу можно использовать для локализованного введения лекарственных препаратов в область организма, которая подвергается лечению. Лекарства впитываются через кожу постепенно, что в некоторых ситуациях необходимо или просто удобно, и облегчает пациенту соблюдение лечебных процедур. Например, если пациенту необходимо раз в неделю менять лечебный пластырь, то намного больше вероятность, что он об этом не забудет, по сравнению с ежедневным принятием таблеток. Кроме этого, лекарства, которые попадают в организм через кожу, попадают прямо в кровь, не проходя через пищеварительный тракт и не перевариваясь, что удобно в случае, если при проходе через пищеварительный тракт лекарство утрачивает лечебные свойства.

Для того, чтобы использовать лекарство, усваиваемое через кожу, например при помощи пластыря, необходимо знать проницаемость кожи. Эти знания также помогают в случае работы с опасными веществами, которые могут попасть через кожу в организм. В некоторых случаях, чтобы предотвратить попадание вредных веществ в организм через кожу, необходимо ограничить проницаемость кожи с помощью защитных средств. Для этого используют перчатки, защитные костюмы, и другие защитные средства, сделанные из материалов с низкой проницаемостью.

Фильтры

Проницаемость — важное свойство фильтров. Обычно чем выше проницаемость — тем больше размер частиц, пропускаемых через этот фильтр, и наоборот. Фильтры широко используют в повседневной жизни и в промышленности. Один из примеров — система утилизации отходов.

Туалет с выгребной ямой

Туалет с выгребной ямой

Фильтры в системе утилизации отходов

Испокон веков утилизация отходов — проблема в местах, где живут люди. С античных времен отходы собирали в выгребных ямах — предшественниках септиков. Ранние выгребные ямы строили из материалов с частичной проницаемостью, и часть жидкости просачивалась через стены, оставляя остальные отходы в яме. Позже выгребные ямы стали строить из материалов с низкой проницаемостью, чтобы отходы не проникали в окружающую среду и не загрязняли ее. Неудобство выгребных ям в том, что когда они заполнены, отходы из них необходимо удалять. Септики и выгребные ямы до сих пор используют в сельской местности, а также в развивающихся странах, где плохо развита система утилизации отходов. Во многих районах постепенно избавляются от выгребных ям, в связи с со связанными с ними экологическими проблемами.

Септики, в отличие от выгребных ям, фильтруют отходы и только после этого сбрасывают их в окружающую среду. Обычно в септиках используют песочные фильтры. Оставшиеся неотфильтрованные отходы частично разлагаются с помощью бактерий — и только после этого попадают в окружающую среду. Часть отходов, которые невозможно переработать таким способом, остаются в септике. Их удаляют во время регулярной чистки, иначе септик забивается и становится негодным к использованию.

Сливать неотфильтрованные отходы в окружающую среду нельзя, так как они не только загрязнят воду и землю, но и могут послужить благоприятной средой для размножения бактерий. С увеличением населения и с развитием промышленности, резко увеличился объем отходов, и выгребных ям стало недостаточно. В связи с этим водоемы и реки вокруг больших городов были загрязнены и увеличилось количество инфекций, передаваемых через питьевую воду. Кроме этого в больших городах появился и усилился неприятный запах. В Лондоне летом 1858 ситуация настолько ухудшилась, что этот период назвали Великим зловонием. Даже работа судов и Палаты общин была нарушена из-за запаха на улицах города. Чтобы решить проблему, которая вызвала Великое зловоние, в городе построили канализацию и систему по утилизации отходов.

Современные системы утилизации отходов собирают эти отходы через трубы в канализационной системе и отправляют их на очистные сооружения для переработки. Там жидкость фильтруют через ряд фильтров с разной проницаемостью. У самого первого фильтра обычно самая высокая проницаемость — он нужен, чтобы отсеять большие предметы, такие как мусор, листья и ветки. Последующие фильтры удаляют меньшие частицы. Кроме этого, органические частицы в отходах разлагаются при помощи бактериальной обработки. В некоторых случаях их также подвергают химической обработке. В конце очистительного процесса остаются твердые отходы и достаточно чистая вода. Воду сливают в окружающую среду, а твердые отходы используют как удобрения, сжигают, или отправляют на полигоны для захоронения отходов.

Лабораторное оборудование для обратного осмоса

Лабораторное оборудование для обратного осмоса

Мембранная технология

Технологии на основе мембран используют фильтры, чтобы отделять одни вещества от других, например газы от жидкостей. Мембраны используют в утилизации жидких отходов, а также в медицине, например для фильтрации и искусственной очистки биологических жидкостей, таких как кровь. Например, фильтрацию с помощью мембран используют в искусственных легких и почках.

Проницаемость мембран зависит от размера частиц веществ, которые необходимо отделить. Фильтрацию обычно делят на обратный осмос, то есть, самую интенсивную фильтрацию; нанофильтрацию, которая используется для смягчения воды и во время которой фильтруют вирусы и другие частицы подобного размера; микрофильтрцию, во время которой фильтруют бактерии, некоторые красные кровяные тельца, и некоторые дрожжевидные грибки, и которую используют в холодной стерилизации для сохранения вкусовых качеств продукта, теряемых при горячей стерилизации; и, наконец, фильтрацию частиц, то есть фильтрацию всех остальных частиц большего размера, например больших красных кровеносных телец, волос, грибков, пыльцы и песка.

Обратный осмос часто используют для фильтрации и очистки питьевой воды и для других подобных нужд, например для изготовления концентрированных молока и соков, и во многих других случаях. Обратный осмос — это фильтрация под давлением в определенных термодинамических условиях. Проницаемость — не единственное условие в процессе фильтрации. Этот процесс называется реверсивным или обратным потому, что он является обратным естественному процессу осмоса, во время которого раствор перемещается от зоны с низкой концентрацией к зоне с высокой концентрацией. Под давлением это движение происходит в обратном направлении, и мембрана не дает частицам собираемого вещества пройти через нее. То есть, на обратной стороне мембраны раствор менее концентрирован, или в случае очищения — очищен.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *