Hydratační teplo krystalové vody v sádrovci jako významný akumulátor tepla. Stabilizace teploty pomocí sádrových desek?

V číslech 5, 6 a 8 tohoto časopisu z roku 2004 jsme ukázali, že snadná, protisměrná a co do množství vydatná výměna vodní páry mezi sádrovými interiérovými obklady a vzduchem příznivě působí na stabilizaci vnitřní vlhkosti. Tato výměna vede za vhodných podmínek k výjimečnému tepelně akumulačnímu chování, jímž sádrové desky předčí desetinásobně tlustá těžká zdiva.

Molekuly vody chemicky vázané v sádře se uvolní pouze po dodání relativně vysoké energie, která je srovnatelná s teplem potřebným k odpaření stejného množství vodní páry z vody. Je známo, že se z kapalné vody odpaří jeden litr páry po dodání 2 257 kJ/kg tepla (měrné skupenské teplo varu). Podobně velké teplo, 3 080 kJ, musí přijmout krystaly sádrovce, aby z krystalové mříže uvolnil 1 kg vody v podobě páry. Dodaným teplem se změní hlavně krystalová struktura a jen málo teplota sádrovce.

Jestliže sádrová deska o hmotnosti 0,7 kg, která je v rovnováze s prostředím o teplotě 20 °C a relativní vlhkosti 60 %, je přemístěna do prostředí o teplotě 25 °C a rel. vlhkosti 40 %, potom - do ustavení nové rovnováhy - se uvolní 13 g vody, viz [1]. Přitom deska přijme ca 0,013 kg x 3 080 kJ/kg = 40 040 J tepla potřebného k „vyvázání“ vody z krystalové mříže a dalším teplem
(přibližně 0,7 kg x 1000 J/kg/K x 25 K = 3500 J) se ohřeje na 25 °C. Celkem deska přijme 43 540 J.

Betonová deska se specifickou tepelnou kapacitou 840 J·kg^-1·K^-1 by musela mít hmotnost přes 10 kg (oproti 0,7 kg sádrokartonu), aby po zvýšení teploty o 5 °C akumulovala stejné množství tepla
(43 540 J). Zbývá ukázat, jak se po změně podmínek uvolnilo ze sádrové desky oněch 13 g vody.

V [1] byl odvozen vztah, který za předpokladu, že chemická reakce vodní páry se sádrovou deskou probíhá podle rovnice:

počítá při zadané hmotnosti M počet molů sádrovce , který při změně rovnovážných podmínek přejde v sádru nebo naopak.


kde
M - hmotnost sádrové desky v kg,
p₁, p₂ - částečné tlaky vodní páry mezi počátečním (1) a konečným stavem (2) v Pa,
K_T1, K_T2 - rovnovážné konstanty při teplotách T₁ a T₂ v K,
R = 8,3145 J·mol^-1·K^-1 (plynová konstanta)

Teplo (enthalpii H), které se uvolňuje (-) nebo spotřebovává (+) při reakci mezi sádrou, sádrovcem a vodní párou, lze snadno odhadnout z hodnoty standardní molární enthalpie, která se pro tuto reakci udává ve většině chemických tabulek a byla uvedena v [2] a [3]: H° = 83,17 kJ·mol^-1.

Vrátíme-li se k našemu příkladu z úvodu článku (stejná hmotnost sádrové desky a stejné počáteční a konečné podmínky), pak během ustálení nové rovnováhy přejde podle (1) = 0,4494 mol sádrovce v sádru, k čemuž se spotřebuje 0,4494 mol x·83,17 kJ·mol^-1 = 37,380 kJ tepla.

Spotřebované teplo se zužitkuje hlavně na uvolnění molekul vody z krystalové mříže, menším dílem k ohřátí desky o 5 °C. Na jeden kg sádrové desky a v přepočtu na jeden teplotní stupeň vyjde efektivní (chemické) specifické teplo sádrové desky c:

což je hodnota přibližně 12 krát větší, než je specifická tepelná kapacita betonu. Při opačném procesu sádrová deska přijímá ze vzduchu vodní páru, molekuly vody se chemicky váží do krystalové mříže, čímž se uvolňuje teplo. Deska se tak ochlazuje mnohem pomaleji.

K tomu několik poznámek:

1. Obvykle se uvádí, že sádrokartonová deska (v jejím chemickém složení převládá sádrovec CaSO₄·2H₂O), vodu při pokojové teplotě neuvolňuje a že k uvolňování dochází až při teplotách nad 120 °C. Přesné tvrzení je, že se sádrovec při teplotách nad 128 °C nezvratně rozkládá na vodu a sádru, nebo. při těchto teplotách již není schopen existence. Při pokojových teplotách však probíhá zvratná výměna molekul vody mezi vzduchem a sádrovou deskou, jež směřuje k ustavení termodynamické rovnováhy mezi množstvím krystalové vody a vlhkostí vzduchu v závislosti na teplotě.

Názorné je srovnání s vodou: Umístíme-li do izolované a zcela vysušené místnosti (0 % rel. vlhkosti) nádobu s vodou, část vody se odpaří a stoupne relativní vlhkost vzduchu. Po čase se ustaví rovnováha mezi obsahem vodní páry ve vzduchu a obsahem kapalné vody. Obsah páry a vody se mění s teplotou, jestliže teplota stoupne, odpaří se více vody, při poklesu teploty část vzdušné vlhkosti zkondenzuje, ale kapalná vodní fáze samostatně existuje. Pouze když teplota přeroste 100 °C, voda se nemůže v kapalné podobě udržet a všechna se odpaří. Podobně probíhá výměna molekul vody mezi vzduchem a sádrovcem, ovšem nad teplotami 128 °C sádrovec přestává existovat a všechen se rozloží.

2. K docílení velké akumulační schopnosti je nutné, aby sádrové desky při změně teploty relativně rychle uvolňovaly nebo pohlcovaly velké množství vodní páry. Kromě strukturních předpokladů (sádrový materiál by měl být vysoce porézní, tj. mít velký specifický povrch, který je v kontaktu ze vzduchem) a dynamických - reakce (1) musí probíhat dostatečně rychle, je netriviálním problémem zejména skutečnost, že jde o velká množství páry. Např. 1500 kg sádrových desek při výše uvedené změně podmínek uvolní 26 kg vodní páry, která nese přes 80 MJ původní hydratační energie krystalové vody v sádrovci. Tuto vlhkost je nutné odvést. Pro srovnání: vzduch v místnosti o objemu 125 m³ obsahuje při 20 °C a 60 % rel. vlhkosti 1,3 kg vodní páry.

Následující program počítá množství vody, které sádra (sádrové omítky, sádrokartonové a sádrovláknité desky) o zadané hmotnosti pohltí nebo uvolní, jestliže přejde z počátečního do konečného rovnovážného stavu, určených teplotou a relativní vlhkostmí při normálním tlaku.

Literatura a zdroje:

[1] Hejhálek, J.: Mohou sádrové materiály ovlivňovat vnitřní vlhkost (III), Stavebnictví a interiér č. 8/2004,http://www.stavebnictvi3000.cz/cl.php?ID=1306 nebo http://www.vega.cz/prg/sadra3.htm.
[2] Hejhálek, J.: Mohou sádrové materiály ovlivňovat vnitřní vlhkost (II), Stavebnictví a interiér č. 6/2004, http://www.stavebnictvi3000.cz/cl.php?ID=1251.
[3] Hejhálek, J.: Mohou sádrové materiály ovlivňovat vnitřní vlhkost (I), Stavebnictví a interiér č. 5/2004, http://www.stavebnictvi3000.cz/cl.php?ID=1222.