NOTIUNI DE FIZICA SI CHIMIE PENTRU POMPIERI Editat de col. ing. Pompiliu Balulescu, ing. Vasile Calinescu, ing. Corneliu Iorgulescu si ing. Valeriu Macris Comandamentul Pompierilor Bucuresti 1971 CUPRINS PARTEA I CALDURA Capitolul I Notiuni fundamentale 1. Definitia caldurii. Temperatura pag. 5 2. Producerea si masurarea caldurii pag. 5 3. Caldura specifica a corpurilor pag. 6 4. Puterea calorifica pag. 7 5. Sarcina de incendiu pag. 8 6. Termometria (masurarea temperaturilor) 7. Termometre pag. 10 8. Procedee speciale de masurare a temperaturii 9. Scari termometrice pag. 11 10. Calorimetria. Principii calorimetrice
pag. 9 pag. 10 pag. 12
Capitolul II Schimbarea starii de agregare a corpurilor 1. Topirea si vaporizarea pag. 13 2. Legile transformarilor de stare a corpurilor pag. 14 3. Cazuri particulare de transformare a starii de agregare pag. 14 4. Lichefierea si solidificarea pag. 15 5. Simboluri, formule, unitati de masura pag. 15 6. Aplicatii in protectia contra incendiilor pag. 16 Capitolul III Dilatarea corpurilor 1. Dilatarea liniara pag. 16 2. Aplicatii ale dilatatiei pag. 18 3. Releul termic cu lama bimetalica 4. Detectoare termice pag. 18
pag. 18
Capitolul IV Legile gazelor 1. Generalitati pag. 19 2. Legea Boyle-Mariotte pag. 19 3. Legea Gay Lusac (legea incalzirii gazelor la presiune constanta) 4. Legea lui Charles (legea incalzirii gazelor sub volum constant) 5. Teoria cinetico-moleculara a gazelor pag. 21 6. Legea gazelor perfecte pag. 22 7. Ecuatia gazelor perfecte in functie de temperatura absoluta 8 . Gaze reale pag. 23 Capitolul V Transmiterea caldurii 1. Generalitati pag. 24 2. Transmiterea caldurii prin conductie 3. Transmiterea caldurii prin convectie 4. Transmiterea caldurii prin radiatie 5. Cazul general de transmitere a caldurii Capitolul VI Producerea si utilizarea caldurii 1. Cazanul de abur pag. 28 2. Turbina cu abur pag. 29 3. Termoficare pag. 29 4. Motorul cu ardere interna pag. 29 5. Compresorul pag. 30 PARTEA A DOUA ELECTRICITATEA
pag. 24 pag. 26 pag. 26 pag. 27
pag. 20 pag. 20 pag. 23
Capitolul VII Electrostatica 1. Obiectul electrostaticii pag. 30 2. Izolanti si conductori pag. 31 3. Explicarea fenomenelor de electrizare pag. 31 4. Felurile electrizarii pag. 32 5. Legea lui Coulomb pag. 32 6. Distributia electricitatii pe conductori pag. 33 7. Campul electric pag. 33 8. Potentialul electric pag. 34 9. Capacitatea electrica pag. 34 10. Condensatorul electric pag. 35 11. Electricitatea atmosferica pag. 35 12. Electricitatea statica in industrie pag. 36 Capitolul VIII Electrodinamica 1. Curentul electric pag. 38 2. Forta electromotoare. Tensiunea electrica. Diferenta de potential pag. 38 3. Intensitatea curentului electric pag. 39 4. Rezistenta electrica pag. 39 5. Legile curentului electric a) Legea lui Ohm pag. 40 b) Legile lui Kirchof pag. 40 c) Legea lui Joule-Lenz pag. 41 6. Energia electrica si puterea pag. 42 7. Efectele curentului electric pag. 42 8. Pericolul de incendiu prezentat de curenti electrici a) Scurtcircuitul pag. 44 b) Arcul electric pag. 44 9. Aparate de protectie a) Sigurante electrice pag. 44 b) Intrerupatoare automate pag. 46 10. Corpuri de iluminat pentru diferite medii pag. 47 11. Curentul electric in electroliti a) Electroliza pag. 47 b) Pile electrice pag. 48 c) Termoelemente pag. 49 12. Acumulatoare a) Descriere-functionare pag. 49 b) Pericolul de explozie pe timpul incarcarii acumulatoarelor pag. 50 13. Ionizarea gazelor pag. 51 14. Semiconductori pag. 51 15. Detectoare de incendiu pag. 51 Capitolul IX Electromagnetismul 1. Magnetismul pag. 52 2. Electromagneti pag. 54 3. Relee electrice pag. 54 4. Inductia electromagnetica pag. 54 5. Elemente principale de automatizare a) Traductoare pag. 55 b) Organe de executie si reglare pag. 55 Capitolul X Masini electrice 1. Generalitati pag. 56 2. Masini de curent alternativ pag. 56 3. Masini de curent continuu pag. 58 4. Deosebirea dintre curentul continuu si curentul alternativ pag. 58 5. Transformatoare si redresoare pag. 59 6. Deranjamente la masini si aparate electrice care genereaza pericolul de explozie si incendiu Capitolul XI Unde electromagnetice si unde radio 1. Unde electromagnetice pag. 61 2. Unde radio pag. 62 3. Circuite electrice oscilante pag. 62
pag. 60
4. Antene si propagarea undelor radiofonice Capitolul XII Electrocutarea
pag. 63
pag. 64
PARTEA A TREIA REZISTENTA MATERIALELOR Capitolul XIII Comportarea materialelor sub actiunea fortelor 1. Obiectul rezistentei materialelor pag. 67 2. Fortele care actioneaza asupra constructiilor pag. 67 3. Eforturi unitare pag. 68 4. Deformatii pag. 68 5. Relatia dintre eforturile unitate si deformatii pag. 69 6. Comportarea materialelor sub actiunea statica a fortelor pag. 69 7. Elasticitatea pag. 70 8. Plasticitatea pag. 71 9. Factorii de care depind caracteristicile mecanice ale materialelor pag. 71 10. Ecruisarea pag. 71 11. Comportarea materialelor in timp pag. 71 12. Ruperea pag. 72 13. Clasificarea materialelor dupa proprietatile lor mecanice pag. 72 14. Disiparea energiei. Lucrul mecanic de deformatie pag. 72 15. Comportarea materialelor la solicitari dinamice pag. 73 16. Conditii pe care trebuie sa le indeplineasca elementele de constructie pag. 73 17. Efortul unitar admisibil. Coeficienti de siguranta pag. 74 Capitolul XIV Principalele materiale utilizate in constructii 1. Metale folosite in constructii pag. 75 2. Lemnul. Produsele industriale fabricate din lemn pag. 76 3. Betonul. Materiale folosite in constructiile din beton simplu, beton armat si beton precomprimat 4. Materiale pentru zidarii pag. 78 5. Materiale pentru invelitori pag. 78 6. Materiale din polimeri pag. 79 7. Materiale pentru izolatii si finisaje pag. 79
pag. 77
Capitolul XV Comportarea la foc a materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc 1. Clasificarea materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc pag. 80 2. Transmiterea caldurii in elementele de constructie in timpul incendiului pag. 80 3. Variatia caracteristicilor mecanice ale materialelor la temperaturi inalte pag. 81 4. Studiul experimental al comportarii la foc. Metode de incercare a materialelor si elementelor de constructie PARTEA A PATRA CHIMIA Capitolul XVI Procese de oxidare si arderi 1. Oxidarea pag. 83 2. Arderea pag. 84 3. Aprinderea pag. 86 4. Autoaprinderea pag. 86 5. Inflamarea pag. 87 6. Autoinflamarea pag. 87 7. Explozia pag. 87 8. Detonatia pag. 88 Capitolul XVII Reactii chimice 1. Ecuatii si formule chimice pag. 88 2. Echilibrul termodinamic pag. 89 3. Cinetica reactiei pag. 90 4. Catalizatori pag. 91 Capitolul XVIII Procese chimice cu pericol de incendiu 1. Procese de descompunere termica pag. 92 2. Procese de oxidare pag. 94 3. Procese de hidrogenare pag. 96
pag. 81
4. Procese de halogenare pag. 97 5. Procese de nitrare pag. 98 6. Procese de sulfonare pag. 99 7. Procese de polimerizare pag. 99 8. Procese de alchilare pag. 101 Capitolul XIX Substante explozive 1. Generalitati pag. 102 2. Clorati pag. 102 3. Azotat de amoniu pag. 103 Capitolul XX Pulberi metalice 1. Pulberea de aluminiu pag. 105 2. Pulberea de zinc pag. 106 3. Pulberea de fier pag. 107 Capitolul XXI Ignifugarea
pag. 108
Capitolul XXII Agenti de stingere 1. Apa (H2O) pag. 108 2. Apa usoara pag. 109 3. Apa imbunatatita chimic pag. 109 4. Aburul pag. 109 5. Spume pentru stingerea incendiilor a) Spuma chimica pag. 110 b) Spuma mecanica pag. 110 c) Spuma cu coeficient mare de infoiere 6. Gaze inerte a) Bioxidul de carbon pag. 111 b) Azotul pag. 111 7. Pulberi stingatoare pag. 112 8. Hidrocarburi halogenate pag. 112 Capitolul XXIII Substante toxice 1. Oxidul de carbon pag. 113 2. Bioxidul de carbon pag. 114 3. Clorul pag. 114 4. Acidul cianhidric pag. 114 5. Hidrogenul sulfurat pag. 115 6. Amoniacul pag. 115 7. Oxizii de azot pag. 115 8. Fosgenul pag. 115 9. Hidrocarburi halogenate pag. 116 10. Fumul pag. 116
pag. 110
PARTEA I CALDURA Capitolul I Notiuni fundamentale 1. Definitia caldurii. Temperatura Focul, una din cele mai vechi descoperiri ale omului, elementul care a insotit necontenit progresul umanitatii, devine deseori un factor de distrugere, aducator de nenorociri. Pentr a putea preveni si combate cu succes dezlantuirea fortelor potrivnice, este necesar sa fie cunoscute o serie de notiuni si manifestari, caracteristice proceselor termice. Spre deosebire de alte domenii ale fizicii care sunt mai putin accesibile, fenomenele legate de caldura sunt usor sesizabile, ele constituind o prezenta cotidiana in viata omului. Chiar daca nu se intuieste cu exactitate sensul lor fizic, notiunile de caldura, temperatura, fierbere etc. intra in vocabularul uzual, fiind folosite destul de corect de majoritatea oamenilor. Se impune insa o sistematizare a cunostintelor deja existente si, in acelasi timp, completarea acestora cu altele noi pentru a facilita intelegerea fenomenelor fizice care insotesc incendiul. Caldura este o forma de energie, o manifestare a starii de agitatie mecanica a moleculelor si atomilor unui corp. In mod absolut nu putem sesiza cu simturile noastre existenta cantitativa a acestei forme de energie, dar ne putem da seama de efectul ei in mod relativ, prin variatia temperaturii unui corp. Notiunile „cald” si „rece” ne sunt familiare si, prin urmare, se poate construi un sistem logic de cunostinte pornind de la anumite elemente concrete legate de aceste notiuni. Studiul caldurii si al transformarilor sale a inceput printr-o observatie atenta asupra naturii. Astfel, oamenii au putut constata ca topirea unei bucati de gheata se produce intotdeauna la o aceeasi stare termica, adia este tot atat de cald sau tot atat de rece ori de cate ori se topesc gheturile. Acceasi observatie este valabila si la fierberea apei. Pentru a putea caracteriza gradul de incalzire a unui corp a fost necesar sa se adopte o notiune noua, aceea de temperatura a fost necesar sa se adopte o notiune noua, aceea de temperatura. Intrucat cele doua strazi ale apei, mentionate mai sus – rece ca gheata si in stare de fierbere – apar intotdeauan in aceleasi conditii de temperatura, ele au fost alese drept etaloane pentru gradul de incalzire. Intervalul intre temperatura la care se topeste gheata si cea la care fierbe apa, a fost divizat in mod conventional, in 100 de parti. O asemenea fractiune de temperatura a primit denumirea de grad Celsius. Modul cum a fost stabilita practic aceasta unitate de masura va fi expus detaliat mai tarziu. Retinem deocamdata ca: - temperatura este marimea fizica ce caracterizeaza gradul de incalzire al unui corp si, - gradul Celsius (ºC) este o unitate de masura a temperaturii, aleasa in mod conventional; el reprezinta 1/100 din intervalul de temperatura situat intre punctul de topire al ghetii (considerat 0ºC) si punctul de fierbere al apei (considerat 100ºC). 2. Producerea si masurarea caldurii Pentru activitatea de prevenire si stingere a incendiilor este foarte important sa fie cunoscute principalele moduri de producere a caldurii si, in special, conditiile de acumulare a energiei termice, factorul de baza in crearea unui focar de incendiu. Distingem mai multe categorii de fenomene care pot favoriza aparitia unei concentrari de energie termica: - Reactiile termice exoterme, avand ca exponent principal reactiile de ardere (de oxidare), constituie cea mai frecventa cale de producere a caldurii si implicit cea mai raspandita cauza de incendiu. Putem diferentia reactii exotermice lente in care acumularea de caldura se produce intr-un timp mai indelungat sau reactii violente cu puternica degajare de caldura si lumina intr-un interval foarte scurt. - Trecerea curentului electric prin rezistente este insotita de aparitia unei anumite cantitati de caldura a carei valoare depinde de caracteristicile circuitului si ale curentului. Efectul caloric al curentului electric este tratat in mod detaliat in partea a II – a. - Transformarea lucrului mecanic prin frecare este insotita de asemenea de degajarea unei cantitati de caldura direct proportionala cu forta de frecare, cu timpul si cu viteza relativa a suprafetelor de contact. Acest fenomen se afla la originea a numeroase incendii izbucnite la transmisiile cu curele, la lagare de alunecare sau la diverse instalatii unde se freaca piese din materiale combustibile. Racirea unui corp cald, care se face prin cedare de caldura, poate duce la cresterea unui focar de incendiu in vecinatate, in masa unor materiale a caror temperatura de aprindere este inferioara temperaturii corpului care se raceste. Spre exemplu, o piesa scoasa de la forja, avand temperatura de cateva sute de grade, poate provoca aprinderea unui material combustibil peste care piesa ar fi aruncata.
Radiatia solara, consecinta a unor puternice reactii termonucleare, constituie cea mai importanta sursa de caldura, la scara sistemului solar. In anumite conditii radiatia solara poate determina aparitia unui incendiu. O serie de alte fenomene fizice, cum ar fi condensarea si solidificarea, sunt insotite de eliberarea unei cantitati importante de caldura, dar acestea nu prezinta importanta din punctul de vedere al protectiei contra incendiilor. Pericolul de incendiu apare atunci cand exista o puternica degajare de caldura, intr-un timp scurt si intr-un volum restrans, fapt care nu permite raspandirea ei in spatiul inconjurator, favorizand crearea unor puncte calde, cu potential termic ridicat, care pot provoca aprinderea substantelor. Pentru a putea compara cantitatile de caldura produse in cursul diverselor transformari fizico-chimice este necesar sa se stabileasca o unitate pentru masurarea caldurii. Cantitatea de caldura, fiind o marime care masoara variatia energiei interne a unui corp, se va masura cu aceleasi unitati ca si energia, adica in joule (in sistemul international – S.I.). Trebuie mentionat ca folosirea unitatilor de energie mecanica la masurarea caldurii a fost introdusa relativ recent. Pana acum cativa ani, cantitatea de caldura se exprima in calorii, respectiv kilocalorii. Prin definitie, caloria este cantitatea de caldura necesara unui gram de apa distilata pentru a-si ridica temperatura cu un grad Celsius, de la 19,5 la 20,5ºC, la presiunea normala. Mentionam ca aceasta unitate nu face parte integranta din sistemul de unitati international, ea fiind o unitate tolerata. Intre unitatatea tolerata pentru masurarea caldurii (caloria – cal.) si unitatea de energie mecanica (joule – J) exista urmatoarea relatie de echivalenta: 1 cal = 4,1855 J. In practica mai pot fi intalnite si unitati multiplu ale caloriei: kilocaloria (kcal), megacaloria (Mcal), gigacaloria (Gcal) si teracaloria (Tcal). 1 kcal = 1000 cal. 1 Mcal = 106 cal. 1 Gcal = 109 cal. 1 Tcal = 1012 cal. 3. Caldura specifica a corpurilor Experimental s-a constat ca pentru a ridica cu acelasi numar de grade temperatura unor mase egale de corpuri diferite, sunt necesare cantitati diferite de caldura, adica unele corpuri se incalzesc mai usor, altele mai greu. Daca vom ceda aceeasi cantitate de caldura unui cub de otel si unuia de aluminiu, avand acceasi masa, se observa ca, dupa un anumit interval, temperatura aluminiului este mai ridicata decat cea a otelului. S-a stabilit ca fiecare corp poseda o constanta fizica ce caracterizeaza comportarea sa atunci cand primeste sau cedeaza caldura. Aceasta constanta a primit denumirea de caldura specifica si reprezinta cantitatea de caldura necesara pentru a ridica cu 1ºC temperatura unei unitati de masa (in cazul corpurilor solide sau lichide) ori de volum (in cazul gazelor). Caldura specifica se noteaza cu simbolul „c”. Numarul care exprima valoarea caldurii specifice variaza in functie de unitatile alese pentru masa si cantitatea de caldura. In sistemul international (SI) unitatea de masa este kilogramul, iar unitatea de caldura este joule; caldura specifica va avea deci ca unitate de masura joule/kilogram.grad (J/kg.grd). Daca se exprima cantitatea de caldura in calorii si masa in grame, caldura specifica va avea ca unitate de masura caloria/gram.grad [cal/g.grd.]. Caloria/gram.grad este caldura specifica a corpului a carui temperatura creste cu un grad cand primeste o cantitate de caldura egala cu calorie pentru fiecare gram. Conform definitiei caloriei, data anterior, rezulta caldura specifica a apei capa = 1 cal./g.grd, sau capa = 4185,5 J/kg.grd. Se observa ca pentru operativitatea calculului, in practica este mai usor sa se utilizeze caloria ca unitate a cantitatii de caldura, desi aceasta este o unitate toleranta. In tabela 1 sunt date valorile caldurii specifice ale catorva substante solide, lichide si gazoase. Caldura specifica a unui corp depinde de starea sa de agregare. Astfel un corp aflat in stare lichida (topit) are o caldura specifica mai mare decat in stare solida. Exemplu: cgheata = 0,5 cal/g.grd; capa = 1 cal/g.grd. Caldura specifica este in general variabila cu temperatura, in sensul ca pentru incalzirea unitatii de masa cu 1ºC la temperaturi scazute, de exemplu intre 5 si 6ºC, este necesara o alta cantitate de caldura decat pentru o incalzire de temperaturi mai ridicate, de exemplu intre 80 si 81ºC. Practic diferenta este foarte mica, astfel ca pentru calculele tehnice se poate aproxima o valoare constanta a caldurii specifice pentru intervale destul de mari de temperatura. Tabela 1 Calduri specifice
Caldura specifica Substante
La sau intre temperaturile
Aluminiu Aur Beton Cupru Grafit Fier
0 – 100ºC 0 – 100ºC 0 – 100ºC 0 – 100ºC 0 – 100ºC 0 – 100ºC - 256ºC + 760ºC 0ºC 210ºC 0 – 100ºC 0 – 100ºC 0 – 100ºC 0 – 100ºC 19 – 100ºC 0ºC 0ºC 17,5ºC 0ºC 20ºC 20ºC 0ºC 21 – 58ºC 100ºC 0 – 200ºC 15 – 100ºC 12 – 198ºC 13 – 207ºC
Mercur Nichel Plumb Platina Siliciu Sticla Gheata Apa Apa de mare Alcool etilic Amoniac Benzina Eter Petrol Vapori de apa Aer Bioxid de carbon Hidrogen Oxigen
__J__ kg.grd 910 129 880 – 1160 389 904 460 2,8 1264 140 133 457 130 133 741 837 2038 4185 3976 2293 4712 1480 2214 2138 1762 994 847 14268 910
_cal_ g.grd 0,2175 0,0309 0,21 – 0,27 0,093 0,216 0,11 0,00067 0,302 0,03346 0,0319 0,192 0,031 0,032 0,177 0,20 0,487 1 0,95 0,548 1,126 0,34 0,529 0,511 0,421 0,2375 0,2025 3,4090 0,2175
4. Puterea calorifica Dupa cum s-a aratat anterior, una din principalele cai de obtinere a caldurii o constituie reactiile chimice exotermice, mai exact reactiile de ardere. Este cunoscut faptul ca orice corp combustibil poate fi aprins si continua sa arda intr-o atmosfera ce contine oxigen, degajand caldura si radiatii luminoase. Reactia de combinare a unui corp inflamabil cu oxigenul este numita reactia de oxidare sau combustie. Amanuntele de ordin chimic ale acestui proces nu reprezinta interes pentru moment. Din punct de vedere fizic se deosebesc doua situatii distincte: - atunci cand exista oxigen suficient pentru ca tot combustibilul sa arda, deci sa se asigure o combustie completa si - atunci cand arderea se face cu deficit de oxigen, cu degajare de funingine si flacari de culoare inchisa, adica are loc o combustie incompleta. Ulterior se va reveni asupra arderii precizand o serie de detalii de natura chimica, necesare intelegerii acestui fenomen. Din punct de vedere termic atrage atentia faptul ca, prin ardere, corpurile degaja cantitati diferite de caldura. Este cunoscut ca la arderea unui kilogram de carbuni se obtine o cantitate mai mare de caldura decat la arderea unui kilogram de lemne. Experientele au demonstrat ca orice combustibil degaja o cantitate determinata de caldura, dependenta numai de natura sa (carbune, lemn, benzina etc.), cu alte cuvinte combustibilii sunt caracterizati prin puterea lor calorifica. Puterea calorifica a unui combustibil reprezinta cantitatea de caldura produse prin arderea completa a unui kilogram de combustibil solid sau lichid sau prin arderea unui metru cub de gaz, masurat in conditii normale. Puterea calorifica se noteaza cu simbolul H si are ca unitate de masura kilocaloria/kilogram [kcal/kg]. Puterea calorifica poate fi determinata experimental cu ajutorul unor metode calorimetrice sau poate fi calculata tinand seama de compozitia chimica a combustibilului. Pot fi intalnite doua notiuni: putere calorifica superioara si putere calorifica inferioara. Puterea calorifica superioara (Hsup) reprezinta caldura degajata in conditii cand produsele de ardere se gasesc la o temperatura mai mica de 100ºC, deci cand apa din gazele de ardere este in stare lichida. Puterea calorifica inferioara sau efectiva (Hinf) reprezinta puterea calorifica din care s-a scazut cantitatea de caldura necesara pentru vaporizarea apei, adica in conditii cand produsele de ardere se gasesc la o temperatura mai mare de 100ºC. Se poate deduce ca un material combustibil degaja o cantitate mai mare de caldura mai redusa de apa. In tabela 2 sunt indicate puterile calorifice ale unor combustibili larg utilizati. Tabela 2 Puterea calorifica medie a unor substante combustibile
Combustibilul Amidon Benzina Bumbac Carton Cauciuc Celuloid Cereale Cocs Fan
Puterea calorifica 105 J/kg kcal/kg 16,8 4000 41,8 10000 17,5 4200 16,8 3940 44 10600 18,8 45500 16,8 4000 33,6 8000 14,6 3500
Combustibilul Lemn umed* Lemn uscat* Linoleum Matase naturala Matase artificiala Motorina Piele (bucati) Tesaturi textile Zahar
Puterea calorifica 106 J/kg kcal/kg 6,3 – 10,5 1500 – 2500 12,6 – 16,8 3000 – 4000 20,9 5000 33,5 7930 34,3 5800 46 11000 20 4730 18,8 4500 16,8 4000
* In functie de esenta lemnului 5. Sarcina de incendiu Puterea calorifica a materialelor combustibile prezinta o importanta deosebita pentru aprecierea pericolului de incendiu intr-un obiectiv. Se poate face urmatorul rationament: daca fiecare kilogram dintr-un material combustibil dezvolta o cantitate de caldura H kcal, intr-o incapere unde se afla m kg de combustibil care arde se va degaja o cantitate de caldura: Q = m ∙ H [kcal] In realitate intr-o incapere de locuit sau spatiu de productie nu se afla un singur fel de material combustibil ci mai multe (mobila, covoare, perdele, carti, lichide combustibile etc.). Cantitatea de caldura ce poate fi dezvoltata prin arderea tuturor materialelor combustibile din spatiul respectiv este egala cu suma cantitatilor de caldura dezvoltate de fiecare combustibil in parte adica: Qtotal = Qlemn + Qteztile + Qhartie + .......... sau, folosind formula Q = m ∙ H [kcal] se poate scrie: Qtotal = mlemn ∙ Hlemn + mtextile ∙ Htextile + mhartie ∙ Hhartie + ... Aceasta suma poate fi exprimata sub forma: Qtotal = ∑ mi ∙ Hi [kcal] unde mi este masa unui material combustibil si Hi – puterea calorifica a materialului respectiv. Din punctul de vedere al protectiei contra incendiilor si al operatiunilor de stingere este important de stiut daca aceasta cantitate totala de caldura este concentrata intr-un spatiu restrans, dand nastere unei temperaturi ridicate, sau daca se disperseaza intr-o mare hala industriala fara a provoca pagube insemnate. Pentru a rezolva problema este suficient sa se raporteze cantitatea de caldura dezvoltata la suprafata obiectivului respectiv. Obtinem astfel o marime care reprezinta cantitatea de de caldura pe metru patrat, un factor care nu mai este dependent de dimensiunile obiectivului ci caracterizeaza sintetic potentialul termic al tuturor materialelor combustibile, considerate a fi uniform repartizate pe suprafata incaperii. q = Qtotal = ∑ miHi S S
[kcal ] m²
Aceasta marime a primit denumirea de sarcina de incendiu sau incarcare termica. In practica, pentru usurinta aprecierilor comparative, se calculeaza „echivalentul in lemn” al sarcinii de incendiu, adica o cantitate de lemn, avand puterea calorifica H = 4000 kcal/kg, care prin ardere ar degaja acelasi numar de calorii ca si materialele combustibile existente. Spre exemplu, un kilogram de benzina cu puterea calorifica de 10.000 kcal/kg este echivalent cu 2,5 kg lemn. Se poate scrie deci echivalentul – lemn al sarcinii de incendiu: Mlemn = _mi ∙ Hi__ S ∙ Hlemn
[kglemn] m²
Utilizand acest indice (Mlemn), sarcinile de incendii din diferite spatii sau obiective vor fi exprimate in kg.lemn/m2, existand posibilitatea unor aprecieri comparative foarte lesnicioase. Se poate deosebi o sarcina de incendiu mobila si una imobila. Sarcina de incendiu sau incarcarea termica imobila este constituita din suma tuturor partilor constructive combustibile precum si a instalatiilor precum si a instalatiilor fixe aferente cladirii. Ea este dependenta de tipul constructiei putand varia de la 10 kglemn/m² pentru cladirile masive, pana la 80 kglemn/m² pentru constructiile din material lemnos. Sarcina de incendiu este imobila, la cladirile masive, este compusa din tamplarie, podele, compartimentari combustibile etc. Folosirea unor materiale necombustibile (aluminiu, sticla s.a.) la
constructiile moderne permite reducerea incarcarii termice imobile. In sens contrar actioneaza utilizarea pe scara larga a maselor plastice in constructii, in special ca elemente de finisare. Sarcina de incendiu mobila, reprezentand suma tuturor materialelor combustibile introduse intr-o incapere, fara a face parte constitutiva din aceasta, variaza in limite foarte largi, in functie de destinatia incaperii si a cladirii respective. In tabela 3 sunt date unele valori orientative, stabilite pe baze statistice, asupra sarcinii de incendiu, medie si maxima, in diverse obiective. Tabela 3 Sarcini de incendiu in diferite cladiri Cladirea - Locuinta - Spital - Fabrica de mobila - Fabrica de confectie - Tipografie - Birouri - Depozit general
Sarcina de incendiu medie kglemn m² 43 30 75 53 166 52 122
Sarcina de incendiu maxima kglemn m² 125 115 585 510 835 420 1150
Incaperea din cladire cu sarcina de incendiu maxima Magazii Depozit de lenjerie Vopsitorie Depozitul de produse finite Depozitul de hartie Arhive Marfuri speciale
Sarcina de incendiu ofera o imagine concreta a pericolului de incendiu intr-un obiectiv. Studiile si experimentarile pe incendii, facute in numeroase tari, au scos in evidenta relatii intre incarcarea termica si durata incendiului, respectiv variatia temperaturii la un incendiu. 6. Termometria (masurarea temperaturilor) Anterior s-a stabilit ca gradul de incalzire al corpurilor este indicat prin marimea numita temperatura. Experientele au demonstrat ca variatia caldurii unui corp este insotita de modificari, dupa legi bine cunoscute, ale unor caracteristici fizice ale corpului, de exemplu: volumul, culoarea, rezistenta electrica etc. Alegand o asemenea caracteristica (denumita proprietate termoelectrica), ale carei valori pot fi masurate cu ajutorul unor etaloane bine precizate, se poate stabili o scara de temperatura care sa masoare gradul de incalzire a corpurilor. Dintre fenomenele termoelectrice, pe baza carora au fost imaginate si realizate instrumente pentru masurarea temperaturii se pot mentiona: dilatia corpurilor; variatia rezistentei electrice; efectul termoelectric; modificarea culorii corpurilor. Fenomenul fizic cel mai des utilizat in termometrie este dilatatia corpurilor, adica variatia volumului sub actiunea caldurii. Deoarece este necesar ca termometrul sa prezinte o sensibilitate corespunzatoare, cu alte cuvinte, unor variatii mici de temperatura sa le corespunda variatii mari ale marimii fizice luate drept fenomen termometric, se folosesc substante lichide sau gaze, Dupa incalzire, corpurile solide nu revin exact la dimesiunile initiale, pastrand o dilatatie remanenta, fenomen care reduce fidelitatea termometrului. Lichidele au sensibilitate si fidelitate corespunzatoare; coeficientii lor de dilatatie sunt de 50 – 100 de ori mai mari decat ai solidelor, iar fenomenul de dilatatie remanenta lipseste. Gazele au coeficienti de dilatatie si mai mari, fapt care le face utile la construirea unor termometre foarte sensibile si precise, utilizate indeosebi in laboratoare sau la etalonarea altor termometre. Lichidele cel mai mult utilizate la fabricarea termometrelor sunt mercurul, alcoolul etilic, touenul si xilenul. Mercurul prezinta o serie de avantaje care-l fac adecvat pentru masurarea temperaturilor intr-un interval destul de larg, de la - 38ºC (temperatura sa de inghetare) pana la 357ºC (temperatura de fierbere). Sub presiune poate fi folosit la masurarea unor temperaturi pana la 700ºC. Datorita faptului ca este metal, prezinta o inertie termica redusa si in consecinta o sensibilitate sporita. Deoarece mercurul are coeficientul de dilatare constant, in intervalul 0 – 100ºC, termometrul cu mercur poate fi gradat cu usurinta (scara echidistanta). Lipsa de aderenta la peretii vasului in care se afla mercurul, face ca sa fie inlaturate eventualele erori provocate de fenomenul de udare. Pentru temperaturi scazute se poate utiliza ca lichid termometric alcoolul, pana la – 120ºC, sau pentanul, pana la – 200ºC. Temperaturile ridicate (400 – 1800ºC) se masoara cu ajutorul termometrelor. Acestea constau din doi conductori de metale diferite (nichel-crom, fier-constantan, platina-rhodiu) sudati la cate un capat si avand capetele libere legate de un voltmetru sensibil. Functionarea termoelementelor se bazeaza pe fenomenul aparitiei unui curent electric de ordinul milivoltilor in circuitul format de cele doua sarme, atunci cand se incalzeste locul sudurii. Intrucat exista o relatie directa intre variatia de temperatura si curentul din circuit, voltmetrul poate fi gradat direct in unitati de temperatura (ºC).
7. Termometre Fabricarea unui termometru cu lichid este relativ simpla. Intr-un tub capilar avand la unul din capete un mic rezervor se introduce mercurul sau alt lichid termometric. Este necesar ca diametrul tubului capilar sa fie constant pe toata lungimea pentru ca unor variatii egale de temperatura sa le corespunda volume egale, respectiv lungimi egale de tub, care inregistreaza dilatatia. Dupa introducerea mercurului se face vid in tub si se inchide la flacara. Urmeaza operatiunea de gradare a termometrului care necesita precizarea unor „repere termometrice” sau „puncte fixe”, adica a unor numere conventionale atribuite unor fenomene ce se petrec intotdeauna la aceeasi temperatura (exemplu topirea ghetii si vaporizarea apei). Termometrul metalic. Termometrele de sticla, cu lichid, prezinta dezavantajul unei fragilitati care limiteaza domeniul lor de utilizare. In industrie se folosesc termometre metalice, cu lichid care sunt mai robuste, putand suporta lovituri sau socuri termice. In principiu un asemenea termometru este compus dintr-un rezervor, introdus in spatiul a carei temperatura urmeaza a fi determinata, continuat cu un tub metalic, avand capatul liber curbat si prevazut cu un ac indicator. Rezervorul si tubul sunt umplute cu mercur. Cresterea temperaturii provoaca dilatarea mercurului si deformarea portiunii curbate care tinde sa se indrepte, miscand acul indicator in dreptul unei scale gradate. Deoarece rezervorul si tubul curbat se gasesc in spatii cu temperaturi diferite, precizia termometrului este relativ scazuta, dar suficienta pentru nevoi industriale. Precizia poate fi marita prin adaptarea unui al doilea tub curbat cu actiune diferentiala, identic cu primul dar nu mai patrunde in spatiul cu temperatura ridicata, neavand legatura cu rezervorul. Acest tip de termometru necesita control si verificari periodice. Pirometrul optic. Termometrele metalice sau de sticla, precum si cele cu rezistenta electrica sau cu termoelemente trebuie puse in contact direct cu locul a carui temperatura trebuie determinata. Uneori acest lucru este imposibil, in special cand se masoara temperaturi ridicate. Pentru asemenea situatii se utilizeaza pirometrele optice al caror principiu de functionare consta in compararea radiatiei luminoase a focarului, a carui temperatura trebuie masurata, cu radiatia luminoasa a unui fir de carbune etalon. Temperatura firului etalon adus la incandescenta de un curent electric furnizat de sursa, poate fi reglata prin intermediul a doua rezistente electrice montate in luneta aparatului. Variatia controlata a acestor rezistente modifica intensitatea curentului in circuit pana cand radiatia firului etalon este identica cu radiatia sursei calde, astfel ca, privind prin luneta, firul se confunda cu sursa (au aceeasi nuanta de culoare). Fiecarei intensitati a curentului din circuitul de incalzire a firului etalon ii corespunde un anumit grad de incalzire, adica o anumita temperatura. Valoarea respectiva este citita pe cadranul galvanometrului, gradat direct in grade Celsius. Practic, pentru a determina temperatura unei surse de radiatie termica, operatorul indreapta obiectivul lentilei asupra sursei si regleaza rezistentele electrice pana cand firul etalon „se pierde” pe fondul sursei, dupa care citeste indicatia galvanometrului. Acest tip de aparat pentru masurarea temperaturii este deosebit de util la furnale, turnatorii, laminoare si in orice alt loc unde temperatura ridicata nu permite apropierea de sursa calda (inclusiv la incendii). Termograful. In obiectivele industriale moderne exista aparatura a carei functionare trebuie urmarita si inregistrata fara intrerupere. Temperatura la care se desfasoara anumite procese tehnologice constituie un parametru important a carui variatie trebuie cunoscuta cu precizie. Pentru aceasta au fost construite aparate inregistratoare care traseaza curba de variatie a temperaturii, intr-un interval de timp, denumite termografe. In principiu, termograful este compus dintr-un termometru metalic, un sistem de parghii si un cilindru rotitor cu mecanism de ceasornic. Termometrul metalic de constructie speciala transforma variatia temperaturii in miscari ale acului inregistrator prin intermediul sistemului de parghii. Acul inregistrator lasa o urma vizibila pe o banda de hartie infasurata in jurul cilindrului rotit cu viteza constanta de mecanismul de ceasornic. Pe banda sunt trasate linii verticale paralele care indica subdiviziuni ale intervalului de timp si linii orizontale care marcheaza valorile temperaturii. Dupa efectuarea unei rotatii complete, banda poate fi scoasa si verificata. Prin utilizarea a doi cilindri, se prelungeste intervalul de timp dupa care trebuie schimbata banda. Termografele sunt utilizate pe scara larga in industria chimica si alimentara, in meteorologie etc. 8. Procedee speciale de masurare a temperaturii Culori termoscopice. Pentru determinarea rapida a temperaturii la suprafata unui corp sau agregat industrial (cazan, motor, conducta incalzita etc.) se utilizeaza fenomenul de termocromie care se manifesta prin proprietatea pe care o au anumite substante de a-si schimba culoarea sub efectul variatiei temperaturii. Practic, procedeul de masurare consta in utilizarea unui creion termoscopic cu care se trage o linie pe suprafata a carei temperatura trebuie determinata. Daca obiectul respectiv are temperatura marcata pe creionul folosit, virarea de culoare se face intr-un interval de timp stabilit (de exemplu la doua secunde dupa tragerea liniei). Daca acest interval este mai mare, temperatura obiectului este mai mica decat cea indicata pe creion, si invers, daca virarea de culoare se face mai rapid, temperatura obiectului a depasit pe cea corespunzatoare creionului. In tabela 4 sunt date principale substante termoscopice utilizate in tehnica.
Tabela 4 Principalele substante termoscopice utilizate in tehnica Culoarea Initiala
Finala
Sulfura de mercur
Rosu
Iodura de mercur si cupru
Rosu deschis
Cafeniunegru Rosu-inchis Maron Negru
Temperatura la care se schimba culoarea ºC 250 300 60 70 75
Iodura de mercur si argint Cromat de plumb
Rosu
Maron
70
Rosu
Oxid de mercur
Rosu
Cafeniunegru Negru
Bromura de cupru
Galben
Cafeniu
Cianura cupro-feroasa
Maron
Bisulfura de arsen
Portocaliu
Cafeniunegru Rosu-cafeniu
250 300 Pe masura cresterii temperaturii Pe masura cresterii temperaturii Pe masura cresterii temperaturii Pe masura cresterii temperaturii
Denumirea substantei
Reversibilitatea Da Da (daca nu a fost incalzit la temperaturi prea inalte) Nu Nu Da Da Da Da
Creioanele termoscopice sunt livrate in seturi, avand indicate temperaturile de utilizare si culoarea de virare pentru intervale de temperatura specifice unui anumit domeniu industrial. Astfel, setul Thermocrom 65 ... 200ºC se utilizeaza in industria hartiei, cauciucului, chimica si electrotehnica, setul 200 – 400ºC in industria alimentara si a sticlei, setul 350 670ºC in siderurgie s.a.m.d. Indicatorii termoscopici pot fi utilizati si sub forma de vopsele in industria chimica si electrotehnica, ca mijloc de avertizare in caz de supraincalziri periculoase. Indicatoarele piroscopice (conuri Seger) sunt utilizate pentru a inregistra atingerea unor temperaturi prestabilite in diverse procese industriale. Se fabrica in doua marimi, avand forma unui trunchi de piramida. Sunt executate din materiale ceramice – caolin, cuart, feldspat, carbonat de calciu si adaus de lianti – in diferite proportii, astfel incat sa se creeze o gama larga de amestecuri ale caror puncte de inmuiere difera cu 20 ... 30 grade unul de altul. In STAS 1312-64 se defineste temperatura de inmuiere ca temperatura la care indicatorul asezat vertical pe o placa suport se inmoaie si, sub actiunea greutatii proprii, se indoaie peste muchia scurta astfel incat varful atinge nivelul placii suport. Indicatoarele mari – cu inaltimea de 50 mm – se folosesc pentru temperaturi de 600 – 1540ºC, iar cele mici – cu inaltimea de 30 mm – pentru intervalul de temperaturi 1580 – 2000ºC. Indicatoarele piroscopice sunt utilizate indeosebi la urmarirea temperaturilor de regim in cuptoare, in grupuri de cate trei indicatoare, unul cu numarul corespunzator temperaturii de regim, al doilea cu numarul imediat superior, iar al treilea cu numarul imediat inferior. Indicatoare fuzibile (martori). Pentru a determina atingerea unei anumite temperaturi se pot folosi diverse aliaje metalice, de forma cilindrica, a caror topire se produce intr-un mic interval de temperatura. Cu acesti „martori” se poate acoperi intervalul de temperaturi cuprins intre 100 si 1600ºC. 9. Scari termometrice Asa cum s-a aratat anterior, prin conventie, pe scara Celsius, intervalul standard de temperatura este cuprins intre 0 (punct fix determinat de temperatura ghetii pure care se topeste la presiune normala) si 100 (punct fix determinat la temperatura vaporilor de apa care fierb la presiune normala). Practic, deci, vor fi marcate pe tubul capilar al termometrului cele doua pozitii ale coloanei de mercur: una corespunzatoare temperaturii de topire a ghetii, si una corespunzatoare temperaturii de fierbere a apei. Intervalul intre aceste doua repere stabilite experimental se imparte in 100 de parti egale, fiecare diviziune corespunzand cu un grad Celsius. Alegerea punctelor fixe si atribuirea unui anumit numar de grade este pur conventionala. Astfel, o alta scara termometrica propusa de Réaumur considera ca cele doua puncte fixe mentionate au valorile 0º si 80º, deci intervalul de temperatura intre topirea ghetii pure si fierberea apei este impartit in 80 grade Réaumur. O a treia scara termometrica, scara Fahrenheit considera ca gheata se topeste la 32 grade Fahrenheit iar apa fierbe la 212 grade Fahrenheit, deci acelasi interval de temperatura este impartit in 180 grade Fahrenheit.
Scara termometrica folosita universal este scara Celsius. Transformarea gradelor in diverse scari termometrice se face cu ajutorul unor relatii simple: tºR = 0,8 tºC tºF = 32 + 1,8 tºC In tabela 5 sunt date relatiile de transformare dintr-o scara in alta si corespondentele gradelor Celsius pentru un interval de temperaturi uzuale. Temperatura absoluta. In termodinamica si in tehnica se utilizeaza o scara de temperaturi in grade absolute sau grade Kelvin [K], al carui punct intial este considerat zero absolut (0K = - 237,15ºC). Pe scara termometrica absoluta nu vom intalni temperaturi negative deoarece 0 K este cea mai scazuta temperatura posibila. Temperatura absoluta se noteaza cu simbolul T. Gradul Kelvin este egal cu gradul Celsius. Intre valorile temperaturilor masurate pe cele doua scar exista relatia: T [K] = tºC + 273,15º Tabela 5 Relatii de transformare intre valorile temperaturilor pe diferite scari termometrice ºC ºR ºF Celsius ºC - 273,15 - 20 - 15 - 10 -5 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 300
Scara Celsius tºC
Scara Réamur 4 tºC 5 tºR
5 tºR 4 5 (tºF – 32) 4 (tºF – 32) 9 9 Temperaturi pe diferite scari termometrice Réamur ºR Fahrenheit ºF - 218,6 - 459 - 16 -4 - 12 5 -8 14 -4 23 0 32 4 41 8 50 16 68 24 86 32 104 40 122 48 140 56 158 64 176 72 194 80 212 120 302 160 392 240 572
Scara Fahrenheit 9 tºC + 32º 5 9 tºR + 32 4 tºF Kelvin K 0 253,15 258,15 263,15 268,15 273,15 278,15 283,15 293,15 303,15 313,15 323,15 333,15 343,15 353,15 363,15 373,15 423,15 473,15 573,15
10. Calorimetria. Principii calorimetrice Observatii indelungate asupra proceselor de trecere a caldurii de la un corp cald la unul rece au permis sa se stabileasca anumite principii care guverneaza aceste fenomene, dupa cum urmeaza: Principiul echilibrului termic. Cand doua corpuri avand temperaturi diferite sunt puse in contact, are loc un proces de trecere a caldurii de la corpul cald catre cel rece, proces care dureaza pana la egalizarea temperaturilor celor doua corpuri. Principiul schimbului de caldura. In lipsa unor procese secundare de transformare energetica, in urma racirii corpului cald, acesta cedeaza o anumita cantitate de caldura care este preluata de corpul rece. Deci cantitatea de caldura cedata de sursa mai calda este egala cu cantitatea de caldura primita de sursa mai rece. Acest principiu reprezinta o forma particulara a principiului conservarii energiei. Principiul transformarilor inverse. Cantitatea de caldura preluata de un corp prin trecerea de la o stare A1 la o stare A2 este egala cu cantitatea de caldura cedata de acelasi corp atunci cand revine de la starea A2 la starea A1. Principiul transformarilor inverse constituie o consecinta a principiului conservarii energiei. Din moment ce energia nu poate fi nici
creata, nici distrusa, este evident ca energia calorica necesara trecerii corpului de la starea A1 la starea A2 va fi restituita integral prin revenirea la starea initiala. Tinand seama de caracteristicile fizice ale corpurilor se poate determina cantitatea de caldura primita sau cedata la modificarea temperaturii. La punctul 3, s-a definit caldura specifica a unui corp drept cantitatea de caldura necesara pentru a modifica cu 1ºC temperatura unitatii de masa. Rezulta ca daca un corp are masa m, cantitatea de caldura necesara pentru a-i modifica temperatura cu 1ºC va fi egala cu m ∙ c. Produsul m ∙ c dintre masa corpului si caldura sa specifica se numeste capacitate calorica a corpului respectiv. Daca temperatura corpului va fi modificata cu mai multe grade, de exemplu corpul va fi incalzit cu ∆t grade, atunci el va primi o cantitate de caldura de atatea ori mai mare, adica: Q = m.c. ∆t Cele expuse mai sus pot fi exemplificate printr-un caz des intalnit in practica. Pentru a raci rapid un corp metalic, acesta se introduce intr-un vas cu apa sau cu alt lichid de racire. Se stie ca intr-o asemenea situatie obiectul cald se raceste iar lichidul din vas se incalzeste, la sfarsitul procesului de schimb de caldura ambele corpuri avand aceeasi temperatura a carei valoare θ (teta) este situata intre valorile temperaturilor initiale tc si tr. Se naste intrebarea: Care va fi temperatura finala θ a unor corpuri cu temperaturi initiale diferite, care participa la un proces de schimb de caldura ? Cele doua corpuri pot avea stari de agregare diferite; se poate scufunda un corp solid intr-un lichid, se pot amesteca doua lichide, se poate raci un corp solid intr-un gaz s.a.m.d. Conform formulei cantitatea de caldura cedata de corpul a carui temperatura scade de la tc la θ va fi: Qcedata = mc ∙ cc (tc – θ) unde mc este masa corpului cald, cc – caldura specifica a corpului cald, tc – temperatura corpului cald si θ – temperatura finala. Similar, cantitatea de caldura preluata de corpul rece a carui temperatura creste de la tr la θ va fi: Qpreluata = mr ∙ cr (θ – tr). Dar conform principiului schimbului de caldura Qcedata = Qpreluata Rezulta: mc ∙ cc (tc – θ) = mr ∙ cr (θ – tr) sau mc ∙ cc ∙ tc + mr ∙ cr ∙ tr = mc ∙ cc θ + mr ∙ cr ∙ θ de unde: θ = mc ∙ c c ∙ tc + mr ∙ c r ∙ tr mc ∙ cc + mr ∙ cr Deci temperatura finala a unui ameste de doua corpuri avand temperaturi initiale diferite este egala cu suma produselor capacitatilor calorice cu temperaturile corpurilor impartita la suma capacitatilor calorice. Capitolul II Schimbarea starii de agregare a corpurilor 1. Topirea si vaporizarea In natura corpurile se pot gasi in stare solida, lichida sau gazoasa, in functie de temperatura. In prezent se considera ca materia poate avea si o a patra stare de agregare – plasma – dar implicatiile fizice ale acestui fenomen depasesc limitele lucrarii de fata. Starea solida defineste corpurile care prezinta rigiditate mare si rezistenta la actiunea unor forte externe. Coeziunea intre moleculele corpurilor solide este puternica, acestea avand doar o miscare de vibratie in jurul unei pozitii de echilibru. Corpurile solide se caracterizeaza prin volum si forma determinata.
Spre deosebire de acestea, lichidele nu au rigiditate si se deformeaza cu usurinta sub actiunea unor forte exterioare. Ele curg sau iau forma recipientului in care sunt turnate. Desi isi mentin volum constant, nu au forma proprie, fapt care dovedeste existenta unor forte de coeziune mai reduse decat la solide. Daca fortele de coeziune scad sub anumite limite atunci corpul nu-si mai pastreaza nici forma, nici volumul si trece in stare gazoasa. Din cauza fortelor de coeziune foarte reduse gazele nu au forma si volum propriu, ele putand ocupa intregul volum care il au la dispozitie. Cunoasterea caracteristicilor celor trei stari de agregare ale corpurilor este necesara in activitatea pompierilor, indeosebi pentru aprecierea pericolului de incendiu in diverse situatii si pentru adoptarea unor masuri corespunzatoare de prevenire si stingere. Deosebit de importanta este cunoasterea fenomenelor de trecere dintr-o stare fizica in alta, adica transformarile de stare. Pentru exeplificarea legilor care guverneaza transformarile de stare se poate urmari comportarea apei, sub cele trei forme de agregare: solida (gheata), lichida (apa) si gazoasa (vapori de apa, aburi). Se considera un vas cu bucatele de gheata supus incalzirii la o flacara. Un termometru introdus in vas indica o crestere lenta a temperaturii ghetii pana se atinge valoarea 0ºC. Apoi se constata ca desi gheata continua sa primeasca aceeasi cantitate de caldura in unitate de timp, termometrul nu inregistreaza modificari ale temperaturii. Urmarind cu atentie comportarea ghetii se observa ca incepe sa se topeasca, transformandu-se in apa. Experimental s-a stabilit ca, in conditii de presiune constanta, este necesara o cantitate determinata de caldura pentru a topi o unitate de masa dintr-un corp solid. Aceasta caldura se numeste caldura latenta de topire si se noteaza cu qtopire. Dupa topirea ultimei bucati de gheata, cand in vas se gaseste numai apa, termometrul incepe sa indice din nou o crestere lenta a temperaturii, proportionala cu cantitatea de caldura primita. La 100ºC se inregistreaza un alt prag in variatia temperaturii apei. Lichidul fierbe si incepe sa se transforme in vapori. Vaporizarea – trecerea din stare lichida in stare gazoasa – se poate face in mod lent, numai la suprafata lichidului, rapid si cu zgomot (fierbere). Procesul de vaporizare prezinta anumite similitudini cu procesul de topire: - In timpul transformarii temperatura se mentine constanta. - Ca si la topire este necesara o cantitate determinata de caldura pentru a realiza transformarea de stare. Cantitatea de caldura primita de un lichid pentru a se vaporiza la temperatura si presiune constante se numeste caldura latenta de vaporizare. Daca aceasta marime se raporteaza la unitatea de masa a unei substante se obtine caldura specifica de vaporizare a substantei respective. Din clipa cand intreaga masa a lichidului s-a transformat in vapori, temperatura acestora se modifica, in sensul unei cresteri proportionale cu cantitatea de caldura primita. 2. Legile transformarilor de stare a corpurilor Analizand fenomenele de trecere a corpurilor dintr-o stare de agregare in alta se pot deduce legi care sunt valabila atat pentru topire cat si pentru vaporizare. Astfel: - In cazul substantelor pure, la presiune constanta, transformarile de stare (topire si vaporizare) se produc la temperaturi bine determinate, constante si caracteristice fiecarei substante. - Pentru a schimba starea de agregare a unitatii de masa dintr-o substanta sunt necesare cantitati determinate de caldura, denumite calduri latente specifice de transformare (topire, respectiv vaporizare). Caldurile latente de transformare reprezinta cantitatile de energie necesare pentru invingerea fortelor de coeziune moleculara. Fenomenele de modificare a starii de agregare constituie exemplificari ale legii generale a naturii privind transformarea acumularilor cantitative in salturi calitative. Transformarile de stare sunt insotite de modificari ale unor caracteristici fizice ale substantelor. Prin topire, majoritatea corpurilor isi maresc volumul. Fac exceptie unele corpuri, printre care si gheata. Aceasta explica de ce gheata pluteste la suprafata apei (prin marirea volumului, densitatea scade) sau de ce crapa sticlele in care apa ingheata. Fenomenul de marire al volumului este mult accentuat la trecerea din starea lichida in starea de vapori. In acest caz apa isi mareste volumul de circa 1700 de ori, fapt deosebit de important pentru utilizarea apei atat ca agent de lucru in masinile termice cu aburi cat si ca agent de stingere a incendiilor. In afara de efectul de racire accentuat, prin transformarea apei in vapori se realizeaza si un efect de inabusire a incendiului, vaporii de apa ocupand locul aerului care intretine arderea. 3. Cazuri particulare de transformare a starii de agregare In general corpurile trec dintr-o stare de agregare in alta urmand desfasurarea fenomenelor descrise mai sus. Sunt totusi unele substante a caror comportare sub actiunea calduri prezinta anumite abateri. Astfel sunt corpuri care nu au o temperatura determinata de topire, ele trecand in mod treptat de la starea solida la cea lichida in cursul unui proces de inmuiere (ceara, untul s.a.). Scaderea vascozitatii este insotita de modificarea continua a temperaturii astfel ca nu se poate stabili un punct precis de transformare. Alte substante sublimeaza, adica trec direct din stare solida in stare gazoasa; ele nu pot fi obtinute in stare lichida la presiunea atmosferica (ex. iodul, acidul benzoic, pentaclorura de fosfor, zapada carbonica, clorura de amoniu etc.). Sunt corpuri care prin incalzire, in absenta oxigenului, se descompun (lemnul, hartia, albuminoidele) si dau nastere unor alte substante.
O comportare interesanta au, in cursul procesului de topire, aliajele, prin faptul ca temperatura de topire este mai scazuta decat cea a oricarui component. Astfel aliajul Wood, compus din cadmiu, staniu, plumb si bismut, se topeste la 66 – 71ºC (in functie de compozitie), desi toate metalele componente au temperaturi de topire mai mari de 200ºC. Aliajul Lipowitz (plumb, staniu, cadmiu si bismut) se topeste la 60ºC, iar aliajul Rose (bismut, staniu si plumb), se topeste la 95ºC. Fenomenele de topire a aliajelor sunt utilizate la constructia unor detectoare de incendiu, a unor tipuri de sprinklere sau a unor dispozitive de inchidere automata a usilor si perdelelor antifoc. Si in cazul vaporizarii se inregistreaza fenomene care retin atentia. Astfel, in cazul unui ameste de doua sau mai multe lichide pure, punctul de fierbere nu mai are o valoare unic determinata ci exista mai multe praguri de temperatura la care se produce, treptat, vaporizarea lichidelor componente. Fenomenul isi gaseste aplicatii pe scara larga in industria chimica la distilarea fractionata a unor amestecuri (spre exemplu la distilarea petrolului). La inceput se vaporizeaza lichidul care fierbe la temperatura scazuta apoi ceilalti componenti, pe masura ce se atinge punctul de fierbere caracteristic fiecaruia. Punctul de fierbere este variabil si in functie de presiunea la suprafata lichidului. Daca acesta presiune scade punctul de fierbere si coboara invers. Intr-un cazan de aburi, de exemplu, presiunea este mai mare decat cea normala, punctul de fierbere fiind situat in acest caz deasupra temperaturii de 100ºC. 4. Lichefierea si solidificarea Pana in prezent a fost analizata comportarea corpurilor sub efectul cresterii temperaturii, respectiv topirea si vaporizarea. In natura se intalnesc insa si procese de transformare inversa, adica de trecere din stare gazoasa in stare lichida (lichefiere) sau din stare lichida in stare solida (solidificare). In cursul lichefierii, corpul care se transforma cedeaza o cantitate de caldura egala cu cea absorbita la vaporizare, cu alte cuvinte caldura latenta de lichefiere este egala cu caldura latenta de vaporizare. qlichefiere = qvaporizare Aceeasi egalitate exista si intre caldura latenta de topire si cea de solidificare a unei substante. qtopire = qsolidificare Ca si topirea si vaporizarea, solidificarea si lichefierea corpurilor pure sunt procese care se desfasoara la temperaturi constante. Curba de variatie a temperaturii unui corp in cazul racirii este simetrica cu cea de la incalzire. Topirea si solidificarea pe de o parte, vaporizarea si lichefierea pe de alta parte, sunt fenomene inverse care se anihileaza reciproc. 5. Simboluri, formule, unitati de masura Caldurile latente de transformare se noteaza cu q. Fiecare substanta va avea deci doua valori distincte pentru calduri latente specifice de transformare: qt – pentru caldura latenta de topire si solidificare – si – pentru caldura latenta de vaporizare sau lichefiere. Unitatea de masura pentru caldura latenta specifica in sistemul international este joule/kg si reprezinta caldura latenta specifica a acelei substante care pentru a trece dintr-o stare de agregare in alta, la temperatura si presiune constante, are nevoie de o cantitate de energie de un joule pentru fiecare kilogram. Daca se foloseste unitatea toleranta pentru cantitatea de caldura – caloria – atunci caldura latenta de transformare a unei substante reprezinta numarul de calorii necesare pentru trecerea unui gram de substanta dintr-o stare de agregare in alta. Intre cele doua unitati de masura exista relatia: 1 _J_ = __1__ cal kg 4185,5 g Cantitatea de caldura primita de un corp cu masa m in cursul procesului de topire – sau cedata in cursul solidificarii va fi deci: Qtopire = m ∙ qt Similar, in cazul vaporizarii va fi: Qvaporizare = m ∙ qv Asa cum s-a subliniat mai sus, daca presiunea se mentine constanta, transformarile de stare au loc la temperaturi bine determinate, dependente de natura substantelor respecitve. In caz contrar, temperatura de transformare (topire sau vaporizare) variaza in functie de presiunea atmosferica la care are loc fenomenul. Se considera temperaturi normale de transformare sau puncte de transformare, valorile stabilite la o presiune de 760 mm Hg. In tabela 6 sunt date valorile temperaturilor normale de topire a unor substante.
Tabela 6 Temperaturi de topire a corpurilor Substanta Mercur Aliaj Darcet* Stearina Parafina Aliaj Lipowitz* Aliaj Wood* Naftalina Aliaj Rose* Sulf Selac Staniu Plumb Zinc Bromura de argint
Temperatura de topire ºC - 38,87 50 45 54 60 66 80 94 119 150 232 327 419 434
Substanta Magneziu Aluminiu Bronz Email Sticla Aur Cupru Fonta Otel Nichel Portelan Platina Cuart Wolfram
Temperatura de topire ºC 650 660 900 960 800 – 1400 1064 1083 1130 – 1200 1300 – 1500 1451 1550 1773 1730 – 2000 3380
* Aliaje eutectice utilizare la constructia detectoarelor de incendiu. Compozitia lor in parti de greutate: - Aliajul Darcet: 50 Bi + 25 Sn + 25 Pb + 25 Hg - Aliajul Lipowitz: 50 Bi + 26,7 Pb + 13,3 Sn + 10 Cd - Aliajul Wood: 50,1 Bi + 24,9 Pb + 14,2 Sn + 10 Cd - Aliajul Rose: 2 Bi + 1 Sn + 1 Pb 6. Aplicatii in protectia contra incendiilor Urmarirea fenomenelor de topire a corpurilor in cazul cercetarii unui incendiu poate furniza informatii interesante asupra desfasurarii acestuia, in mod special in privinta temperaturilor atinse in cursul procesului de ardere. Spre exemplu, daca intr-un laborator fotografic in care a izbucnit un incendiu se gaseste un recipient cu bromura de argint care a fost topita, se poate trage concluzia ca in cursul incendiului a fost depasita temperatura de 434ºC (temperatura de topire a bromurii de argint). Alteori, urmele de corpuri topite pot da indicatii pretioase asupra cauzei incendiului. La un incendiu la care s-au gasit urme de cupru topit rezultat de la un conductor electric, (temperatura de topire a cuprului 1083ºC) alaturi de un conductor electric de aluminiu ramas intact (temperatura de topire circa 640ºC) s-a putut preciza ca temperatura degajata de incendiu nu a depasit 640ºC, topirea conductorului de cupru fiind produsa de un scurtcircuit care a declansat si incendiul. O analiza atenta a locului incendiului imbinata cu o serie de cunostinte de specialitate constituie premiza acestei cercetari temeinice a unui incendiu si asigura succesul acestei actiuni. Procesul de vaporizare prezinta de asemenea aspecte interesante pentru activitatea pompierilor. Retine atentia cifra care reprezinta caldura latenta de vaporizare a apei: 538,7 cal/g. Caldura de vaporizare ridicata, care caracterizeaza apa, explica marea sa eficacitate ca agent stingator. Pentru a transforma un gram de apa, de la temperatura normala (15ºC) in vapori, este nevoie de 85 de calorii (pentru a aduce apa la temperatura de 100ºC) plus 538,7 cal pentru a transforma apa cu temperatura de 100ºC in vapori la 100ºC. Deci fiecare gram de apa de 15ºC transformata in vapori de apa preia de la sursa calda 85 + 538,7 = 623,7 cal. Efectul de racire este considerabil mai mare decat al oricarui alt lichid uzual. Aceasta situatie justifica recomandarile de a se utiliza apa pulverizata la stingerea incendiilor. Fiind dispersata in particule foarte mici, apa se vaporizeaza mai usor si in cantitate mai mare atunci cand intra in contact cu gazele calde produse de focarul de incendiu. Cu cat mai multe picaturi de apa se transforma in vapori cu atat efectul de racire este mai accentuat. Datorita valorilor mari ale caldurii specifice si ale caldurilor latente, de topire si vaporizare, apa absoarbe o cantitate de caldura mult mai mare decat orice alt corp obisnuit. Capitolul III Dilatarea corpurilor 1. Dilatarea liniara Experienta de toate zilele demonstreaza ca un corp isi modifica dimensiunile atunci cand este supus actiunii caldurii: se dilata odata cu cresterea temperaturii si se contracta la scaderea ei. Referiri calitative la acest fenomen s-au facut atunci cand este supus actiunii caldurii: se dilata odata cu cresterea temperaturii si se contracta la scaderea ei. Referiri calitative la acest fenomen s-au facut atunci cand a fost prezentata constructia termometrului cu mercur. Avand in vedere importanta si multiplele aplicatii pe care dilatarea le are in tehnica, inclusiv in domeniul pazei contra incendiilor, este necesar sa se aprofundeze o serie de cunostinte privind acest fenomen.
Trebuie sa precizam ca marirea prin incalzire sau micsorarea acestuia prin racire se constata indiferent de starea sa de greutate: solid, lichid sau gaz. Practic, intereseaza dilatarea corpurilor in lungime, pentru obiecte a caror sectiune este foarte mica in raport cu lungimea: bare, fire etc. si dilatarea in volum, indeosebi pentru gaze. Analiza atenta a permis cercetatorilor sa determine legi care guverneaza comportarea corpurilor sub efectul temperaturii. Astfel s-a stabilit ca dilatatia sau alungirea unei bare este proportionala cu lungimea initiala a corpului si cu variatia temperaturii, factorul de proportionalitate fiind o constanta caracteristica fiecarui material. Matematic aceasta relatie se exprima sub forma: ∆ l = α ∙ l0 ∆ t sau: lt – lo = α ∙ l0 ∙ ∆ t unde: ∆ l = lt – l0 este variatia lungimii sub efectul variatiei temperaturii (∆t); l0 = lungimea initiala; lt = lungimea finala (la temperatura t) α – coeficientul de dilatatie (factor de proportionalitate, dependent de natura substantei din care este facuta). Coeficientul de dilatatie arata cresterea unitatii de lungime atunci cand temperatura creste cu 1ºC. Unitatea de masura pentru coeficientul de dilatatie este: α [__m__] = grd-1 m ∙ grd. Din relatia lt – lo = α ∙ l0 ∙ ∆ t se poate calcula lungimea unei bare supusa dilatarii atunci cand se cunoaste lungimea sa initiala, diferenta de temperatura si materialul din care este confectionata. lt = lo + ∆l = lo + αlo∆t lt = lo (1 + α ∆ t) Expresia (1 + α ∆ t) se numeste binom de dilatatie liniara. In tabela 7 sunt dati coeficienti de dilatatie liniara ai unor substante larg intrebunitate. Valorile din tabela permit sa se traga cateva concluzii interesante: 1. Observam ca α nu este constant cand temperatura variaza. Pentru calculele necesare in practica putem insa aproxima o valoare medie pentru intervalul de temperatura respectiv. 2. Metalele cu punct de topire ridicat au un coeficient de dilatatie mai mic (exemplu tungstenul, platina). 3. Mercurul are un coeficient de dilatare foarte mare in raport cu celelalte metale, fapt care justifica utilizarea sa ca substanta termometrica. Tabela 7 Coeficienti de dilatare liniara
Aluminiu Argint Aur Constatatan 60% Cu – 40% Ni Cupru Fonta Nichel Otel tare Otel moale Platina Plumb Sticla de cuart Tungsten Zinc
0 – 100 23,8 19,5 14,2
Coeficienti de dilatare liniara ai unor corpuri solide α.106 grd-1, in intervalul de temperatura ºC. 0 – 200 0 – 300 0 – 400 0 – 500 24,5 25,5 26,5 278,4 20 20,3 20,6 20,9 14,6 14,8 15 15,6
0 – 800 22,1 -
0 - 1000 -
15,2
15,6
16
16,4
16,8
-
-
16,5 10,4 13 11,7 12 9 29
16,9 11 13,7 12,2 13,6 9,1 29,6
17,2 11,6 14,3 12,8 13,1 9,3 31,1
17,7 12,2 14,9 13,3 13,6 9,4 -
18,1 12,9 15,2 13,8 14,1 9,5 -
16,1 14,3 9,9 -
10,2 -
0,5
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,5
4,5 16,5
4,5 4,7 4,7 4,5 Coeficienti de dilatare ai unor corpuri lichide
4,6 -
4,6 -
Acetona Benzen Glicerina Mercur Toluen
0 – 10 135 120 50 18,19 -
0 – 20 138 120 50 18,2 107
α.105 grd-1, in intervalul de temperatura ºC. 0 – 30 0 – 40 0 – 50 143 146 150 123 125 127 50 51 52 18,21 18,21 18,22 108 110 112
0 – 80 134 18,25 117
0 – 100 18,26 -
2. Aplicatii ale dilatatiei In tehnica intalnim nenumarate situatii cand trebuie sa se tina seama de fenomenele de dilatatie, pentru a evita o seama de consecinte nefavorabile. Astfel, conductelor metalice prin care circula lichide incalzite sau vapori trebuie sa li se asigure posibilitatea de a se dilata liber utilizand racorduri speciale (alunecatoare) sau forme constructive care sa preia dilatarea (lire de dilatatie). La constructia podurilor metalice unul din capete se sprijina pe role de dilatatie pentru a permite alungirea libera in caz de variatie a temperaturii. Firele circuitelor electrice, telefonice, telegrafice etc. se monteaza cu o anumita sageata (mai putin intinse) pentru ca in timpul iernii sa nu se rupa ca urmare a contractiei. Exemplele pot continua. Ne vom opri insa la cele care au aplicatii speciale in combaterea incendiilor. 3. Releul termic cu lama bimetalica Sa ne imaginam o lama formata din doua placute de metale diferite presate una langa alta. Presupunem ca au fost solidarizate o placuta de otel si una de zinc. Daca aceasta lama bimetalica este supusa unei cresteri de temperatura cele doua placute se vor dilata in mod diferit (αotel = 1,1 x 10-5 grad-1, αzinc = 3,54 ∙ 10-5 grd-1), zincul avand tendinta sa se alungeasca mai mult. Deoarece placutele sunt strans lipite una de alta, lama bimetalica se va curba, zincul ramanand pe arcul exterior (cel cu lungime mai mare). Daca, dimpotriva, lama bimetalica va fi puternic racita, ea se va curba avand otelul pe arcul exterior. Un asemenea dispozitiv poate functiona ca termoregulator pentru diverse aparate (etuva, clocitoare automata, cuptoare etc.). Atingerea unei temperaturi fixate determina curbarea lamei bimetalice si deci deschiderea circuitului electric, avand ca urmare intreruperea sistemului de incalzire. 4. Detectoare termice Pricipiul lamei bimetalice este aplicat si la constructia detectoarelor termice de incendiu. Acestea utilizeaza efectul caloric al unui inceput de incendiu pentru a provoca topirea sau dilatarea unui element de actionare, legat la contactele unui releu electric amplasat in detector. Este de remarcat faptul ca instalatiile automate de stingere cu apa (sprinkler) sunt echipate cu elemente de declansare termosensibile din aliaj eutectic, care se topeste la o temperatura determinata sau cu o capsula continand un lichid care se dilata provocand spargerea capsului, de asemenea la o temperatura prestabilita. Topirea elementului termosensibil sau spargerea capsulei asigura intrarea in functiune a capului de sprinkler. Detectorul termostatic declanseaza alarma in momentul cand temperatura atinge o valoare fixa, pentru care a fost etalonat. Se intalnesc doua tipuri de detectoare termostatice: cu lama bimetalica sau cu aliaj eutectic. Detectorul termostatic cu lama bimetalica declanseaza alarma prin deschiderea unui circuit electric intocmai ca un termoregulator. Detectoarele termostatice cu aliaj eutectic sunt construite in mod obisnuit pentru a semnaliza atingerea unor temperaturi de 65, 75, 95, 130, 180, 230 sau 280ºC, corespunzator punctului de topire a aliajului respectiv. Detector termostatic cu aliaj eutectic. Elementul sensibil la acest tip de detector este un cilindru din aliaj eutectic asezat intre electrodul central si corpul detectorului. La cresterea temperaturii aliajul se topeste ocupand pozitia si inchizand circuitul electric de alarmare. Ca detectoare mai sunt: detector termostatic cu lama bimetalica, detector termostatic cu aliaj eutectic, detector termostatic cu aliaj fuzibil. In tara noastra se fabrica termostatice cu element fuzibil. Detectorul termovelocimetric, spre deosebire de precedentele, actioneaza la o valoare determinata a vitezei de crestere a temperaturii, independent de valoarea absoluta a acesteia. Ele reactioneaza indata ce gradientul (viteza de variatie) temperaturii depaseste pragul indicator al unei incalziri anormale sau al unui inceput de incendiu. In schimb detectoarele termovelocimetrice sunt insensibile la variatii ale temperaturii datorita unor cauze naturale (incalzire normala, radiatie solara etc.) care provoaca gradiente de temperatura mai mici decat valoarea de reglaj. Detectoarele velocimetrice sunt construite pentru gradiente de temperatura cuprinse intre 2 si 20ºC pe minut. In functie de elementul sensibil, deosebim detectoare la care variatia temperaturii este inregistrata prin dilatarea unor corpuri solide, lichide sau gazoase sau prin producerea unui curent electric intr-o serie de termoelemente. Spre exemplu, se poate construi un detector termovelocimetric utilizand doua lamele bimetalice cu viteze de dilatare diferite. Se poate actiona in sensul micsorarii vitezei de dilatare, deci a sensibilitatii, prin ingrosarea lamelei
bimetalice sau prin introducerea ei intr-o teaca izolatoare. In cazul unei cresteri lente a temperaturii cele doua lamele bimetalice (a si b) se dilata in mod egal pastrand contactul electric. Daca variatia temperaturii este rapida atunci datorita inertiei termice, lamelele a reactioneaza cu intarziere, in raport cu lamelele b si contactul electric se intrerupe declansand semnalul de alarma. Sensibiliatea detectoarelor cu lamele bimetalice este de ordinul a 6ºC/min. La un alt tip de detectoare termovelocimetrice elementul sensibil este constituit dintr-un recipient de aer care actioneaza asupra unei membrane sau asupra unui piston calibrat care comanda contactele unui releu cu deschidere brusca. Incalzirea rapida a aerului din recipient provoaca dilatarea acestuia si, sub actiunea presiunii create, membrana sau pistonul este impins eliberand contactele releului. Recipientul de aer este prevazut cu o supapa destinata sa compenseze dilatarea aerului pe care il contine, cand temperatura creste lent. Pentru o mai mare siguranta sistemul de detectoare termovelocimetrice se asociaza cu unul termostatic fapt care ofera posibilitatea sa se declanseze alarma la atingerea valorii de consemn a temperaturii (exemplu 73ºC) in ipoteza unei cresteri lente care nu ar afecta detectorul termovelocimetric. Capitolul IV Legile gazelor 1. Generalitati Anterior, cand au fost prezentate transformarile de stare ale corpurilor s-a precizat ca gazele se caracterizeaza printr-o slaba coeziune moleculara fapt care face moleculele de gaz sa se miste liber in intreg spatiul pe care il au la dispozitie. Starea de agitatie a moleculelor – ciocnirile moleculelor intre ele sau de peretii recipientului care contine gazul – determina o presiune care este cu atat mai mare cu cat creste temperatura. Practic, se poate observa ca intre cele trei marimi de stare mentionate – presiunea, volumul si temperatura – exista o anumita interdependenta. Astfel, atunci cand se comprima aerul intr-o pompa de bicicleta, al carei ventil este blocat se constata ca pe masura ce se micsoreaza volumul, prin impingerea pistonului, rezistenta, adica presiunea din copul pompei creste. Sau, atunci cand un balon de cauciuc este supus incalzirii, volumul sau creste datorita dilatarii aerului. Pentru pompieri, intelegerea fenomenelor legate de comportarea gazelor prezinta un interes aparte, fie ca este vorba de principiile ventilarii in caz de incendiu, de explicarea functionarii unui aparat izolant pentru protectia respiratiei sau de prevenirea exploziilor la butelii cu gaze tehnice. Relatiile intre marimile de stare ale unui gaz (p, V, T) permit sa se exprime aspectul cantitativ al unor transformari ale gazelor. 2. Legea Boyle-Mariotte In urma cu trei secole, chimistul englez Robert Boyle (1662) si chimistul francez E. Mariotte (1679) au descoperit independent unul de altul, relatia intre presiunea si volumul unui gaz, cand temperatura se mentine constanta. O experienta simpla permite sa se verifice aceasta relatie. Deasupra unui piston care astupa etans un cilindru, se asaza la o greutate G. Pistonul va cobora pana la o inaltime h. Se dubleaza greutatea asezata pe piston si se constata ca aceste va cobora pana la inaltime h/2. Se repeta experienta cu alte greutati asezate deasupra pistonului si se noteaza inaltimile corespunzatoare. Se constata ca inaltimea (deci volumul gazului) se micsoreaza de fiecare data in aceeasi proportie in care a crescut apasarea (presiunea): a) p1 = G S
V1 = h x S
p1V1 = G ∙ h
b) p2 = 2 G = 2 p1 S
V2 = h S = V1 2 2
p2V2 = 2 p1 ∙ V1 = p1V1 2
c) p3 = 3 G = 3 p1 S
V3 = h S = V1 3 3
p3V3 = 3 p1 V1 p1V1 3
Cu alte cuvinte p1V1 = p2V2 = p3V3 = constant Rezulta ca, la temperatura constanta, volumele aceleiasi mase de gaz invers proportionanle cu presiunile exercitate asupra gazului. Se poate deci, enunta legea Boyle-Mariotte: Intr-o transformare la temperatura constanta a unui gaz, produsul intre presiunea si volumul gazului este constant. Reprezentand grafic valorile presiunii si volumului unui gaz, la temperatura constanta, se obtine o curba, care se numeste izoterma (curba de temperatura constanta). La cresterea temperaturii curbele se departeaza de axele de coordonate, mentinandu-si insa aceeasi alura. Legea Boyle-Mariotte isi gaseste aplicatii in construirea barometrelor.
3. Legea Gay Lusac (legea incalzirii gazelor la presiune constanta) Experienta demonstreaza ca, prin incalzire, gazele se dilata mult mai mult decat corpurile lichide sau solide. Daca se ia un balon de sticla prevazut cu un tub orizontal, cu sectiune constanta, in care se gaseste o bula de mercur, si se introduce intr-un vas cu apa incalzita se constata ca, pe masura ce temperatura aerului din balon creste, bula de mercur se deplaseaza la dreapta, fapt care indica marirea volumului gazului din balon. Este evident ca in timpul experientiei presiunea in balon se mentine constanta si egala cu presiunea atmosferica, bula de mercur fiind in echilibru, deci supusa aceleiasi apasari de ambele parti. Facand experiente cu gaze, Gay Lussac a descoperit, la inceputul secolului XIX, legea care-i poarte numele: Un gaz incalzit, la presiune constanta, sufera o variatie a unitatii de volum direct proportionala cu variatia temperaturii, indiferent de natura gazului. Exprimand matematic cele de mai sus se poate scrie: ∆ V = α ∙ ∆t Vo unde ∆V este variatia volumului datorita dilatarii; V0 – volumul initial; α – constanta universala denumita coeficient de dilatare a gazelor la presiune constanta. Valoarea coeficientului α este aceeasi pentru toate gazele α = __1__ grad-1. 273,15 ∆T – variatia temperaturii. Transformarea unui gaz la presiune constanta se numeste transformare izbara si se reprezinta in coordonate p – V, printr-o linie paralela cu axa volumelor. Din formula ∆ V = α ∙ ∆t se poate deduce ecuatia de dilatare a gazelor la presiune constanta. Variatia volumului Vo ∆V este egala cu diferenta intre volumul final si cel initial: ∆V = V – V0 Rezulta: V – V0 = α ∙ ∆t V0 de unde: V = V0 + V0 ∙ α ∆t sau V = V0 + V0 ∙ α ∙ ∆t V = V0 (1 + α ∙ ∆t) 4. Legea lui Charles (legea incalzirii gazelor sub volum constant) Se cunoaste pericolul de explozie pe care-l prezinta buteliile de gaz tehnice (oxigen, bioxid de carbon, acetilena etc.) aflate intr-un spatiu cuprins de incendiu. Sub influenta caldurii degajate, presiunea gazului din butelie creste depasind limita de rezistenta a recipientului, fapt care provoaca explozia. Fizicianul francez Charles (1746 – 1822) a stabilit ca in cazul incalzirii unui gaz, intr-un volum constant, variatia presiunii raportata la presiunea initiala, este direct proportionala cu variatia temperaturii: p – p0 = β ∙ ∆ t p0 Factorul de proportionalitate a fost denumit coeficient de crestere a presiunii gazelor sub volum constant si are aceeasi valoare numerica pentru toate gazele β =__1__ grd-1. 273,15
Pentru evitarea pericolului de explozie in cazul expunerii la temperaturi ridicate, presiunea interioara din buteliile cu gaze tehnice nu trebuie sa depaseasca valorile admisibile. Din acest motiv, recipientele se incarca pana la anumite limite stabilite pentru fiecare gaz. La buteliile cu gaze comprimate, umplerea se face astfel incat la o temperatura a gazului de + 40ºC presiunea interioara sa nu depaseasca cu mai mult de 10 la suta presiunea de incarcare indicata pe recipient. Umplerea buteliilor cu gaze lichefiate conform normelor tehnice are o deosebita importanta, deoarece recipientele fiind inchise complet, la ridicarea temperaturii gazul isi mareste presiunea. Pentru nevoi practice au fost stabilite limite de incarcare maxima a buteliilor cu diferite gaze lichefiate. In tabela 8 sunt date valorile limita de incarcare exprimate in kilograme gaz per litru de capacitate a buteliei. Coeficientul de crestere a presiunii gazelor sub volum constant este deci o constanta universala independenta de natura gazului sau de parametrii de stare (presiune, volum si temperatura). Tabela 8 Coeficienti de umplere „N” pentru butelii de gaze lichefiate Denumirea gazului Acid clorhidric Bioxid de carbon Etan Monoclortrifluor-metan Acid cianhidric Ciclopropan Clor Clorura de etil Clorura de metil Clorura de vinil Diclorfluormetan Eter metilic Monoetilamina Fosgen
N kg/l 0,42 0,75 0,275 0,90 0,57 0,48 1,19 0,79 0,78 0,75 1,08 0,56 0,60 1,19
Denumirea gazului Acid flourhidric Amoniac Bioxid de sulf n-Butan Izobutan Hidrogen sulfurat Monometilamina Dimetilamina Trimetilamina Monoclordifluormetan Oxid de etilena Propan Propilena Tetraoxid de azot
N kg/l 0,80 0,51 1,19 0,502 0,72 0,68 0,54 0,44 0,34 0,90 0,76 0,40 0,40 1,20
Incalzirea gazului intr-un volum constante se numeste transformare izocora si se reprezinta in sistemul de coordonate p – V printr-o dreapta paralela cu axa presiunilor. Pe baza expresiei matematice a legii lui Charles se poate stabili ecuatia de incalzire a gazului sub volum constant: ∆ p = p - po Atunci p – p0 = β ∙ ∆ t p0 p – p0 = p0 ∙ β ∙ ∆t p = p0 (1 + β ∙ ∆t) Formula p = p0 (1 + β ∙ ∆t) permite sa se aprecieze in mod exact pericolul de explozie a unei butelii de gaze supuse incalzirii la un incendiu sau printr-o utilizare necorespunzatoare, in preajma unor surse de caldura. Considerand presiunea normala intr-o butelie de gaze lichefiate p0 (la 15ºC) si temperatura degajata la un incendiu de circa 560ºC (∆t = 560 – 15 = 545ºC) se poate determina presiunea gazului, sub influenta cresterii temperaturii: p = p0 (1 +_1_ x 545) ~ 3 po. 273 Iata deci ca la un incendiu in cursul caruia se degaja o temperatura de 500 - 600ºC, presiunea intr-o butelie de gaze lichefiate se tripleaza. Primejdia este mult mai mare la incendiile izbucnite in parcuri de rezervoare de produse petroliere. Desi acestea sunt prevazute cu supape de siguranta pentru eliminarea suprapresiunilor din spatiul de vapori, exista posibilitatea ca in cazul unui incendiu violent, cu variatie rapida a temperaturii, cresterea presiunii sa fie mai mare decat capacitatea de evacuare a supapei de siguranta, fapt care pune sub semnul indoielii mentinerea integritatii rezervorului. Din acest motiv se recomanda stropirea intensa a rezervoarelor situate in apropierea incendiului. De altfel, in rafinarii, depozite de rezervoare, statii de pompare sau alte obiective ale industriei petroliere se prevad instalatii de stropire cu declansare automata sau manuala, care asigura racirea la nevoie. 5. Teoria cinetico-moleculara a gazelor
Legea Gay Lussac si legea Charles pot fi considerate legi de dilatare a gazelor. Teoria cinetico-moleculara a gazelor ofera explicatia logica a comportarii gazelor sub efectul crsterii temperaturii. In miscarea lor moleculele se ciocnesc unele de altele precum si de peretii recipientilor in care se afla; acest fenomen determina presiunea gazului. Este de inteles ca odata cu cresterea temperaturii se majoreaza energia moleculara; creste deci viteza lor si implicit creste numarul ciocnirilor, adica presiunea. Pentru a se mentine presiunea constanta trebuie sa se mareasca spatiul dintre molecule, deci volumul gradului, astfel ca variatia vitezei moleculelor determinata de cresterea temperaturii sa fie acoperita de necesitatea pracurgerii unor distante mari. In acest fel numarul ciocnirilor produse in unitatea de timp nu se va schimba. Cea mai scazuta temperatura – zero absolut. Legea lui Charles permite sa se determine pe cale teoretica cea mai scazuta temperatura, cu alte cuvinte zeroul absolut. Conform teoriei cinetico-moleculare presiunea unui gaz este expresia starii de agitatie termica a moleculelor. Cu cat scade temperatura, numarul de ciocniri ale moleculelor, in unitatea de timp, se micsoreaza. La limita, racind un gaz perfect la cea mai scazuta temperatura posibilila, se reduce orice agitatie termica, moleculele ramanand, teoretic, nemiscate. In acest caz presiunea gazului devine egala cu zero, adica: p = p0 (1 + β ∙ t) = 0 Presiunea p0 are o valoare finita. In acest caz trebuie ca expresia 1 + βt sa fie nula: 1+β∙t=0 de unde: t = - 1 = - 273,15ºC β Deci la temperatura de – 273,15ºC orice miscare moleculara ar trebui sa inceteze. Reamintim ca aceasta valoare este considerata origine a temperaturii pe scara Kelvin. 6. Legea gazelor perfecte In legile gazelor expuse mai sus s-a considerat pe rand unul din parametrii de stare constant: legea Boyle-Mariotte se refera la transformari izoterme (la temperatura constanta), legea Gay Lussac la transformari izobare (la presiune constanta), iar legea lui Charles la transformari izocore (sub volum constant). Aceste trei legi particulare pot fi reunite intrlege generala, stabilita in 1834 de fizicianul Clapeyron. Se considera un gaz avand parametrii de stare initiala p0, V0, t0 = 0 ºC si de stare finala p, V, t. Valorile parametrilor de stare nu depind de drumul urmat in transformea gazului: se poate considera o transformare complexa, in care variaza simultan toti parametrii sau transformari combinate compuse din doua transformari simple, de exemplu, transformarea izocora urmata de o destindere izoterma ori o transformare izobara urmata de o comprimare izoterma. Bineinteles ca pot fi urmate orice alte cai de transformare a gazului, acestea neavnd influenta asupra parametrilor de stare intiala si finala. Prin incalzirea gazului sub volum constant presiunea sa va creste de la valoarea p0 la valoarea pB conform relatiei data de legea lui Charles: pB = p0 ∙ (1 + β ∙ ∆t) Destinzand gazul, se aplica legea Boyle-Mariotte: pB ∙ VB = pz ∙ Vz = p ∙ V = constant sau, inlocuind pB cu p0 (1 + β∆t) si VB cu VA = V0 rezulta p0 ∙ (1 + β∆t) ∙ V0 = p ∙ V Se obtine legea generala de transformare a unui gaz perfect: p ∙ V= p0 ∙ V0 ∙ (1 + β∆t) sau, deoarece β = α = __1__ grd-1, 273,15 p ∙ V = p0 ∙ V0 ∙ (1 + α∆t) Facand constante, pe rand, cate una din marimile de stare ale gazului regasim legile particulare de transformare a gazelor: Transformarea izoterma ∆t = 0 (legea Boylle-Mariotte):
p ∙ V = p0 ∙ V0 Transformarea izobara (legea Gay-Lussac). p = p0: p ∙ V = p ∙ V0 (1 + α ∙ ∆t) adica V = V0 (1 + α ∙ ∆t). Transformarea izocora V = V0 (legea lui Charles) p ∙ V = p0 ∙ V0 ∙ (1 + α ∙ ∆t) p = p0 ∙ (1 + α ∙ ∆t) 7. Ecuatia gazelor perfecte in functie de temperatura absoluta Daca se exprima temperatura in grade Kelvin, legea gazelor perfecte capata o forma simplificata. Se considera starea initiala a gazului avand parametri de stare p0, V0 si t0 = 0ºC. In acest caz variatia de temperatura ∆t va fi numeric egala cu temperatura t a starii finale, deci formula p ∙ V = p0 ∙ V0 ∙ (1 + α∆t) va avea forma: p ∙ V = p0 ∙ V0 (1 + α ∙ t) sau p ∙ V = p0 ∙ V0 ∙ α ( 1 + t) α dar 1 + t = 1 + t = 273,15 + t α __1__ 273,15 Conform formulei (9): 273,15 + t = T Atunci p ∙ V = p0 ∙ V0 ∙ α ∙ T Inlocuind α = __1__ = 1 273,15 T0 rezulta p ∙ V = p0 V0 ∙ T T0 sau p ∙ V = p0 ∙ V0 T T0 Expresia p0 ∙ V0 este constanta, p0, V0 si T0 fiind parametrii de stare ai gazului, la 0ºC. T Rezulta legea gazelor perfecte pentru o anumita cantitate de gaz: p ∙ V = constant T 8. Gaze reale In rationamentele pentru demonstrarea legilor gazelor s-a admis ipoteza simplificatoare a existentei unor molecule punctiforme de gaz, ale caror dimensiuni nu influenteaza comportarea gazului si parametrii sai de stare. Practic insa, desi foarte reduse, dimensiunile moleculelor au totusi valori ce trebuie luate in consideratie atunci cand gazul este puternic comprima. Atat timp cat se mentin distante mari intre molecule iar fortele de coeziune sunt reduse, adica la presiuni scazute, ipozeta simplificatoare mentionata este valabila si nu produce erori mari, dar daca se comprima puternic gazul se atinge o presiune limita la care moleculele se aproprie atat de mult incat spatiile intermoleculare dispar. Peste aceasta limita gazul nu mai poate fi comprimat deoarece moleculele sunt incompresibile. Deci la presiuni mari legea Boyle-Mariotte si legile de dilatare ale gazelor nu mai sunt riguros exacte.
La presiuni foarte mari volumul scade mult mai incet decat prevede legea comprimarii gazelor si ca urmare produsul p.V nu mai ramane constant, crescand odata cu presiunea. Pentru presiuni curent intalnite in tehnica de ordinul catorva zeci de atmosfere, erorile produse prin asimilarea gazelor reale cu gazele perfecte nu sunt prea mari. La presiuni mai mari, in functie de precizia ceruta calculelor este necesar sa se tina seama de comportarea gazelor reale si sa se introduca coeficienti de corectie corespunzatori, atat pentru presiuni cat si pentru volume. Conform teoriei cinetico-moleculare a gazelor, ciocnirile moleculelor de gaz de peretii vasului in care se afla determina valoarea presiunii. Fortele de atractie dintre molecule fac ca ciocnirea de pereti sa fie mai slaba, rezultand o presiune mai mica decat cea calculata teoretic, in absenta acestor forte. Trebuie deci sa se adauge la presiunea manometrica a gazului o valoare cu atat mai mare cu cat moleculele sunt mai apropiate, deci invers proportionala cu volumul. Dar presiunea este afectata nu numai forta de ciocnire a moleculelor ci si de numarul acestor ciocniri in unitatea de timp, care este de asemenea invers proportional cu volumul. In final deci corectia ce trebuie efectuata va fi invers proportionala cu patratul volumului, coeficientul de proportionalitate fiind o constanta caracteristica fiecarui gaz: p1 = p + a V² Volumul in care se misca moleculele de gaz este egal cu volumul ocupat de gaz din care se scade volumului propriu al moleculelor, care a fost neglijat in cazul gazelor perfecte. In aceasta situatie volumul care trebuie luat in calcul va fi V1 = V – b, unde b este de asemenea o constanta caracteristica a gazului. Inlocuind valorile p1 si V1 in ecuatia gazelor perfecte se obtine ecuatia pentru gaze reale: (p + a ) (V - b) = constant V² Capitolul V Transmiterea caldurii 1. Generalitati Caldura produsa de o sursa termica se raspandeste in spatiul inconjurator sau se transmite corpurilor aflate in contact direct cu sursa. Se deosebesc trei moduri de transmitere a caldurii: prin conductie, convectie si radiatie. Transmiterea caldurii se face intotdeauna de la sursa calda catre cea rece, acest proces continuand pana la egalizarea temperaturilor. Procesul de propagare a caldurii, al trecerii de la sursa calda catre alte corpuri cu temperatura mai scazuta, poate fi incetinit sau extins in timp, dar in nici un caz nu poate fi impiedicat cu totul. 2. Transmiterea caldurii prin conductie Cand doua corpuri, avand temperaturi diferite, se afla in contact direct, caldura trece de la corpul cald catre cel rece, treptat, in toata masa corpului, datorita miscarilor moleculare. Fenomenul se petrece intocmai ca atunci cand se incalzeste o parte a unui corp si caldura se transmite in toata masa sa, fara ca materia sa se deplaseze sau sa sufere deformatii. Astfel daca se introduce un capat al unei vergele metalice intr-un focar puternic incalzit, se constanta ca si celalalt capat, tinut la exterior, se incalzeste. S-a observat ca nu toate corpurile transmit in aceeasi masura caldura. Unele, de exemplu metalele, au o capacitate de transmitere a caldurii mai mare, in timp ce altele cum ar fi pluta sau azbestul intarzie considerabil procesul de propagare a caldurii. In cazul cand conductia caldurii printr-un corp se face in regim permanent, adica atunci cand sursa calda produce in mod continuu caldura, diferenta de temperatura intre doua puncte ale corpului respectiv mentinandu-se constanta, se pot stabili formule de calcul pentru cantitatea de caldura transmisa. Spre exemplu, a fost stabilita o relatie intre cantitatea de caldura transmisa si caracteristicile fizice ale unui perete facut dintr-un material omogen. Din practica se cunoaste ca un spatiu incalzit pierde mai multa caldura atunci cand suprafata sa este mai mare, cand timpul este mai indelungat si cand diferenta de temperatura intre interior si exterior este mai mare. Pentru a micsora pierderile de caldura se pot alege grosimi mai mari ale peretilor. In sfarsit cantitatea de caldura cedata este dependenta de natura materialului prin care se transmite. Sintetizand observatiile de mai sus se poate scrie formula cantitatii de caldura ce trece intr-o perioada de timp t printr-un perete de suprafata S si grosimea d, atunci cand cele doua fete ale sale au temperaturile θ1 si θ2 (θ1 > θ2). 1 [Joule] = λ ∙ [1 ∙ h ∙ 1 m² ∙ 1 grad] 1m de unde λ [ __Joule__ ] sau λ [ ___kcal___ ] .
m ∙ h-grd
m ∙ h ∙ grd
Prin urmare, coeficientul λ reprezinta cantitatea de caldura ce trece intr-o ora, prin unitatea de suprafata a unui perete plan, cu grosimea de 1 m cand diferenta intre temperaturile celor doua fete este de 1 grad Celsius. Dupa valoarea coeficientului de conductibilitate termica λ, care reflecta capacitatea unui material de a transmite mai incet sau mai incet sau mai rapid caldura, deosebim materiale bune conductoare de caldura si materiale izolante din punct de vedere termic. Valorile coeficientilor de conductibilitate termica a unor corpuri, la 20ºC, sunt date in tabela 9. Coeficientul λ variaza cu temperatura, dar pentru calcule tehnice se poate lua o valoare medie, pentru un anumit interval de temperaturi, fara a se face erori prea mari. Din analiza datelor prezentate in tabela se desprind cateva concluzii interesante: - Se observa ca metalele pure au o conductibilitate termica mai buna decat aliajele. Coeficientul de conductibilitate are o valoare mai scazuta cand procentele constituientilor unui aliaj tind sa se egalizeze. - Substantele al caror coeficient de conductibilitate este inferior de 0,150 kcal/m.h.grd. sunt utilizate ca izolanti termici in industrie si constructii. - Conductibilitatea termica a lichidelor, exceptand mercurul, este foarte scazuta. Precizam ca valorile coeficientilor de conductibilitate termica ai lichidelor sunt valabile atata vreme cat nu se produce miscare in masa lichidului, in caz contrar intervenind fenomene de transmitere a caldurii prin convectie. Gazele au conductibilitatea termica mai mica decat a oricarui izolant termic solid. Singura exceptie o face hidrogenul. Aceeasi remarca, privind valabilitatea valorilor din tabela numai in caz de repaus al lichidelor, trebuie facuta si in cazul gazelor. Prezenta aerului inclus in masa materialelor izolante (pluta, vata de sticla etc.) explica valoarea redusa a coeficientului de conductibilitate termica a acestor materiale. Majoritatea substantelor care au o structura poroasa, cu spatii umplute cu aer, sunt izolanti termici. Conform teoriei cinetico-moleculare, procesul transmiterii caldurii prin conductie se datoreste miscarilor de oscilatie pe care le au atomii si moleculele corpurilor solide si lichide. Amplitudinea acestor miscari oscilatorii creste odata cu temperatura. In interiorul corpului atomii cu energie mare, situati in preajma sursei calde, cedeaza o parte din energie atomilor a caror amplitudine de oscilatie este mai redusa. Tabela 9 Valorile coeficientului de conductibilitate termica a unor corpuri, la 20ºC exprimat in kcal/m. h. ºC Aluminiu pur (99,75%) Aluminiu tehnic Alama Aliaj fier-nichel - cu 5 % nichel - cu 15% nichel - cu 20% nichel - cu 50% nichel - cu 80% nichel Beton uscat Beton armat Caramida uscata Caramida poroasa Carton Ipsos uscat Deseuri de turba Hartie obisnuita Kiselgur afanat Negru de fum Argila refractara Bachelita Cauciuc Gheata Grafit Apa Alcool Glicerina Aer Hidrogen
Metale si aliaje metalice 197 Cupru pur 175 Cupru tehnic 96 Duraluminiu Fier pur 30 Fier tehnic 16 Nichel pur 9,5 Nichel tehnic 12,5 Plumb 28 Zinc Materiale de constructie 0,15 – 0,7 Linoleum 1,33 Lemn de stejar 0,4 Marmura 0,3 Pamant 0,12 – 0,3 Sticla obisnuita 0,37 Tencuiala de var Izolanti termici 0,06 – 0,12 Pluta placi 0,12 Pluta sfaramata 0,035 Vata de sticla 0,06 – 0,1 Vata de azbest Alte corpuri solide 0,89 Portelan 0,2 – 0,3 Piele 0,1 – 0,2 Plexiglas 1,5 – 2,0 Placaj 10 – 150 Samota Lichide 0,5 – 0,6 Mercur 0,16 Ulei de parafina 0,24 – 0,35 Ulei de transformator Gaze 0,5 – 0,6 Bioxid de carbon 0,15 – 0,35 Aburi
340 300 137 63 40 – 50 80 60 30 97 0,15 0,3 3 1,1 0,34 0,6 0,036 – 0,054 0,03 – 0,4 0,044 – 0,051 0,05 0,89 0,12 – 0,14 0,158 0,13 0,75 – 1,15 8,0 0,11 – 0,15 0,1 0,12 – 0,020 0,17 – 0,043
Cedarea energiei se face din aproape in aproape, de la atom la atom, din regiunea calda catre cea rece. Lucrurile se petrec in mod asemanator si in cazul gazelor. In jurul sursei de caldura moleculele de gaz au o energie cinetica medie mai mare. O parte din aceasta energie este cedata in urma ciocnirilor cu alte molecule, astfel ca in final toate moleculele vor avea aceeasi energie cinetica medie. In cazul gazelor insa, conductibilitatea termica joaca un rol secundar. 3. Transmiterea caldurii prin convectie Cand corpurile nu se afla in contact direct cu schimbul de caldura se face prin intermediul fluidului care le desparte (apa, aer, ulei de racire etc.). Datorita coeziunii mai reduse intre moleculele unui fluid (lichid sau gaz) acestea se pot deplasa mai usor in spatiu, starea lor de miscare – deci energia termica – fiind transmisa rapid in intreaga masa. Dilatandu-se, din cauza caldurii primite, masele de fluid aflate in imediata apropiere a sursei calde isi micsoreaza densitatea si se ridica lasand locul unor mase de fluid rece. Se realizeaza un circuit de fluid purtator de caldura, care propaga energia termica in spatiu. Transmiterea caldurii prin intermediul particulelor de fluid care se deplaseaza se numeste transmitere de caldura prin convectie, sau mai simplu convectia caldurii. Calculul cantitatii de caldura transmisa prin convectie este foarte dificil din cauza numarului mare de parametri care intervin in desfasurarea acestui proces (temperatura masei calde calde si a fluidului purtator, caracteristicile fizicochimice ale acestuia – viteza, vascozitate, densitate etc. – pozitiile relative ale suprafetelor si multe altele). Au fost stabilite formule de calcul pentru anumite situatii speciale, analizate in profunzime pentru necesitati de ordin practic (incalzire centrala, schimbatoare de caldura etc.). La punctul precedent – Transmiterea caldurii prin conductie – s-a mentionat ca pentru a realiza rolul de izolant termic un fluid trebuie sa se afle in repaus. Dimpotriva, atunci cand este necesar sa se activeze schimbul de caldura prin convectie trebuie sa se ia masuri de stimulare a circulatiei fluidului purtator de caldura. Observatiile calitative privind transmiterea caldurii prin convectie prezinta o mare utilitate practica. Spre exemplu, in constructii se pune intrebarea: care sunt modalitatile cele mai eficiente de reducere a pierderilor de caldura prin ferestrele cladirilor ? La prima vedere s-ar parea ca este suficient sa se realizeze geamuri duble, la o distanta cat mai mare unul de altul, pentru a se obtine un strat de aer care sa impiedice transferul de caldura. Practic insa, s-a constatat ca marirea distantei intre geamuri nu duce la scaderea pierderilor de caldura ci dimpotriva, dar ca exista o distanta optima, relativ scazuta, care asigura cea mai buna izolare termica. Crearea curentilor de convectie ca urmare a incalzirii fluidelor isi gaseste explicatia in modificarea densitatii acestora sub efectul temperaturii. Fenomenul poate fi urmarit cu usurinta pe baza unui rationament simplu: Densitatea unui corp este definita ca masa unitatii de volum: ρ = m .Sub influenta caldurii primite, fluidul respectiv (lichid sau gaz) se dilata V marindu-si volumul; deci o aceeasi masa de fluid care la o anumita temperatura ocupa un volum V, prin incazire va ocupa un volum V1 mai mare decat V. Este evident ca intr-o asemenea situatie raportul m va fi mai mic decat raportul m , cu alte V1 V cuvinte densitatea unui fluid se micsoreaza prin incalzirea acestuia. Fiind mai usor fluidul cald se deplaseaza in sus, cedand locul unor mase de fluid rece si provocand aparitia curentilor de convectie. In domeniul combaterii incendiilor, fenomenul transmiterii caldurii prin convectie poate fi intalnit in diverse ipostaze. Functionarea detectoarelor termice de incendiu se bazeaza tocmai pe formarea unor curenti ascendenti de aer cald deasupra focarului de incendiu, care transmite caldura produsa, la partea de sus a incaperii. Acest fapt explica pentru ce detectoarele termice de incendiu se monteaza deasupra locurilor sau utilajelor care trebuie protejate. Acelasi fenomen justifica masurile intreprinse pentru ventilarea spatiilor mari in caz de incendiu. La partea superioara a halelor industriale, in acoperis, se practica deschideri automate pentru evacuarea caldurii, fumului si gazelor de ardere. Prin tirajul creat datorita deschiderii trapelor de ventilatie, caldura si produsele de ardere sunt elimintate pe drumul cel mai scurt in atmosfera, locul lor fiind luat de aerul rece care patrunde prin deschiderile laterale (usi, ferestre etc.) ale spatiilor respective. In acest fel pompierii pot actiona in imediata vecinatate a focarului, fara a fi stanjeniti de caldura excesiva si de gazele toxice degajate. Cunoasterea fenomenelor de transmitere a caldurii prin convectie constituie una din premizele insusirii corespunzatoare a principiilor tactice si metodelor de stingere a incendiilor. Un exemplu graitor in acest sens il ofera metoda de stingere a marilor incendii de padure prin declansarea intentionata a unui alt incendiu controlat, pe un aliniament paralel cu cel al incendiului care trebuie combatut. Curentii de aer cald antreneaza scanteile si „focurile zburatoare” – deci propagarea celor doua incendii – spre portiunea de padure care le desparte, incendiilor sfarsind prin a se „inghti” reciproc. Metoda este aplicabila la stingerea incendiilor in zone impadurite, cu suprafata mare, sub controlul specialistilor, cu luarea in consideratie a factorilor meteorologici (directia vantului, temperatura atmosferica etc.). 4. Transmiterea caldurii prin radiatie
Daca la primele doua moduri de transmitere a caldurii, prin conductie si convectie, era necesara prezenta unui suport material purtator de caldura – moleculele corpului solid sau mase de fluid in miscare – in cazul radiatiei termice, propagarea caldurii se face independent de existenta materiei in spatiul dintre sursa calda si cea rece. Caldura se propaga prin radiatie dupa legi similare cu cele ale propagarii luminii. Daca se asaza un material combustbil in focarul unei lentile convergente, concentrand razele solare asupra lui, materialul se va aprinde. Este evident ca nu exista un proces de transmitere a caldurii prin conductie sau convectie, energia termica fiind transmisa, in acest caz, exclusiv prin radiatie. Orice corp cald radiaza caldura in spatiul inconjurator. Caldura radiata se propaga in linie dreapta, cu o viteza egala cu cea a luminii, 300.000 km/s, se reflecta si se refracta ca si lumina. Un corp care primeste un fascicol de raze absoarbe numai o parte din energia de radiatie transportata de aceasta, parte care este transmisa prin conductie sau utilizata la ridicarea temperaturii proprii. Un anumit procent din energia de radiatie este reflectata inapoi, in spatiul inconjurator. Raportul dintre cantitatea de energie absorbita si cantitatea totala de energie indreptata spre corp se numeste coeficient de absorbtie si se noteaza cu „a”. Se cunoaste faptul ca materialele lucioase, deschise la culoare, reflecta o cantitate mai mare de energie radianta, in timp ce corpurile inchise la culoare absorb o cantitate marita de caldura. Corpurile care absorb intreaga cantitate de energie termica pe care o primesc sub forma de radiatie (a = 1) se numesc corpuri negre. Practic, negrul de fum este un corp care se apropie din cea mai mare masura de corpul negru ipotetic. Calculul procesului de transformare a caldurii prin radiatie ridica de asemenea o serie de probleme dificil de depasit. Cantitatea de caldura propagata prin radiatie este dependenta de temperaturile corpurilor, de natura si culoarea acestor corpuri, de starea lor de finisare a suprafetelor, pozitia lor relativa etc. S-a stabilit ca prin radiatie un corp poate absorbi o cantitate de caldura: Q = c ∙ S ∙ [( _Tc_ )4 – ( _Tr_ )4] 100 100 unde Q este cantitatea de caldura absorbita, exprimata in kcal/h; c – constanta de radiatie a corpurilor, care pentru corpul negru este de 4,96 ___kcal___ .Determinarea valorii m² ∙ h ∙ grd4 acestei constante ridica dificultati in cazuri reale, intalnite in practica; S – suprafata prin care primeste caldura radiata [m²]; Tc – temperatura absoluta a corpului care radiaza caldura [K]; Tr – temperatura absoluta a corpului care primeste caldura radiata [K]. Caldura transmisa prin radiatie joaca un rol insemnat atunci cand temperatura corpului care radiaza caldura este mare, depasind valori de 6 – 700ºC. Radiatia calorica poate deveni periculoasa in cazul unui incendiu, existand posibilitatea propagarii incendiului de la un obiect la altul chiar daca acestea nu se afla in contact direct. Pentru acest motiv, normativele de constructii prescriu distante minime de siguranta intre cladiri, in functie de tipul si destinatia lor. Cunoscand rezistenta la foc a doua cladiri se poate stabili distanta minima de siguranta la care pot fi asezate una fata de celalata, sau invers, impunandu-se o anumita distanta intre cladiri se poate determina gradul de rezistenta la foc pe care acestea trebuie sa-l aiba pentru a se evita propagarea unui incendiu, datorita cladirii radiate la aprinderea uneia dintre ele. 5. Cazul general de transmitere a caldurii In realitate de cele mai multe ori transmiterea caldurii nu se face printr-un singur mod (conductie, convectie sau radiatie) ci prin doua sau toate trei odata. Calculul exact al cantitatii de caldura transmisa sau al altor parametri ai procesului de propagare implica insa o serie de greutati greu de depasit in general. In mod global, cantitatea de caldura propagata este direct proportionala cu: - timpul; - diferenta de temperatura intre cele doua surse; - un coeficient de transmisie generala a caldurii dependent de o multitudine de parametri (starea suprafetelor, culoarea lor, materialul, distanta relativa, caracteristicile fluidului purtator etc.). De obicei, in caz de incendiu, se pune problema transmiterii unei cantitati de caldura cat mai scazute, de la un obiectiv incendiat la altul. Analizand fiecare din cei patru factori enumerati mai sus si modul cum se poate interveni pentru micsorarea lor rezulta o serie de concluzii utile. - Timpul cat dureaza schimbul de caldura de la incendiu catre obiectivele invecinate nu poate fi influentat de obieci direct decat prin reducerea timpul de stingere a incendiului. In cazul unor obiecte mobile solutia se simplifica, fiind suficient sa se indeparteze obiectul periclitat de focarul incendiului. - Suprafetele obiectelor nu pot fi modificate, ele fiind determinate prin constructie. In tehnica pot apare situatii cand exista interes de a asigura evacuarea unei cantitati cat mai mari de caldura prin radiatie termica. In asemenea cazuri, marirea suprafetei de radiatie prezinta o solutie avantajoasa, care se aplica, de exemplu, la radiatoarele de incalzire centrala sau la radiatoarele motoarelor termice unde forma constructiva dispune de o suprafata mare de racire. - Temperaturile celor doua surse – cea calda si cea rece – pot fi influentate tot prin intensificarea operatiunilor de stingere a incendiului si prin eventualele masuri de racire a obiectivului care risca sa fie incendiat. In sfarsit coeficientul global de transmisie a caldurii este elementul asupra caruia se poate interveni atat prin masuri de prevenire cat si in cadrul operatiunilor de stingere. In mod preventiv se pot utiliza materiale cu coeficient redus
de absorbtie, pentru placarea fatadelor cladirilor sau se pot vopsi acestea in culori deschise. In caz de incendiu se pot lua masuri pentru activarea circulatiei fluidului intre obiective si de racire cu ajutorul apei pulverizate. Pentru o serie intreaga de utilaje si dispozitive care trebuie ferite de actiunea radiatiei termice se poate adopta masura acoperirii cu substante reflectante . Un exemplu elocvent in acest sens il ofera costumele de protectie aluminizante, al caror strat exterior reflecta o mare parte din cantitatea de caldura incidenta. Pentru acelasi motiv rezervoarele de produse chimice si petroliere, din depozite, rafinarii etc., sunt vopsite in argintiu. Anumite masini de incendiu, dotate cu puternice mijloace de stingere, care urmeaza a actiona in imediata vecinata a unor focare de radiatie termica intensa sunt vopsite de asemenea in argintiu.
Capitolul VI Producerea si utilizarea caldurii 1. Cazanul de abur Caldura ca forma de energie a materiei, are un larg camp de intrebuintare, in toate ramurile economiei nationale. Practic, nu exista obiectiv industrial, agricol sau de alta natura in care sa nu fie prezent un proces de producere si utilizare a caldurii. In cadrul unui asemenea proces se deosebesc trei elemente de baza: producatorul de energie calorica, purtatorul de energie (agentul termic), care, de regula, este un fluid (apa, abur, gaze etc.) si consumatorul de energie care o poate utiliza ca atare sau o poate transforma intr-o alta forma (energie mecanica, electrica etc.). Principalul exponent al masinilor producatoare de energie termica este cazanul de abur. Intr-o centrala termoenergetica moderna se pot intalni unul sau mai multe grupuri de cazane de abur in care energia electrica a combustibililot este transformata prin ardere in energie calorica. Partea de rezistenta a cazanului o constituie un schelet metalic, captusit cu material refractar, pe care sunt fixate subansamble functionale. Arderea combustibilului are loc intr-un spatiu denumit focar in care se afla arzatoarele construite diferentiat in functie de tipul combustibilului utilizat: solid, lichid sau gazos. Din punct de vedere termic, intr-un cazan de abur se deosebesc doua circuite de baza: circuitul gazelor de ardere si circuitul agentului termic (apa, respectiv aburul). Apa este adusa in stare de fiebere si transformata in vapori datoria caldurii produsa prin arderea combustibilului in focarul cazanului. Procesul de transmitere a caldurii, de la flacari si gaze de ardere la apa se face prin cele trei moduri cunoscute: prin radiatie de la flacari la tevile sistemului fierbator, in care circula apa, prin convectie de la gazele de ardere cu temperatura ridicata la tevile schimbatoarelor de caldura, de diverse tipuri, montate in cazan, si prin conductie, prin peretii acestor tevi, la apa. In focar si canalele de gaze, produsele de ardere se scurg in jurul tevilor cazanului, cedand o parte din caldura, fapt care determina scaderea temperaturii lor. Se urmareste ca dupa trecerea prin tot circuitul de gaze, care poate fi mai lung sau mai scurt in functie de tipul cazanului, temperatura produselor de ardere sa fie cat mai apropiata de temperatura atmosferica in asa fel incat sa nu se evacueze la cos gaze cu energie termica recuperabila. Analizand regimul termic din cazan se constata ca temperatura gazelor de ardere creste de-a lungul canalului de gaze ascendent, atingand – in cazul cazanelor de inalta presiune – valori de circa 900 – 1000ºC la partea de sus si scade treptat in zona canalului descendent. In functie de temperaturile existente de-a lungul canalelor de gaze, se dispun elementele componente ale cazanului (schimbatoarele de caldura). Astfel, circuitul apei si aburului debuteaza in partea finala a circuitului gazelor de ardere. Acolo debuteaza in partea finala a circuitului gazelor de ardere. Acolo este dispus economizorul care asigura o prima incalzire a apei, pe seama caldurii gazelor de ardere care urmeaza a fi evacuate la cos. In acest fel se utilizeaza aproape intreaga caldura a gazelor de ardere iar apa, care iese din economizor cu o temperatura mai ridicata decat cea de la exterior, este introdusa in tevile dispuse jur-imprejurului focarului, fiind necesara o cantitate de caldura mai redusa pentru vaporizare. Procesul de fierbere si vaporizare a apei are loc in sistemul fierbator al cazanului format dintr-o retea de tevi metalice care captusesc peretii focarului si ai canalelor de gaze calde. Datorita caldurii flacarilor si gazelor de ardere, apa se incalzeste puternic si se ridica la partea superioara a cazanului. La agregatele moderne, de mare putere, circulatia apei se face fortat sub actiunea unei pompe. La partea de sus a cazanului se afla supraincalzitorul – unul din elementele esentiale ale agregatelor in care se produce abur cu parametrii ridicati (presiune si temperatura). In supraincalzitor se realizeaza uscarea aburului obtinut in sistemul de tevi fierbatoare si ridicarea temperaturii lui peste temperatura de saturatie. In principiu, supraincalzitorul este un sistem de tevi serpentina asezate in canalul de gaze si racordate in paralel la un colector de abur. Gazele avand temperaturi de 900 – 1000ºC „spala” serpentinele supraincalzitorului ridicand temperatura aburului la valori de 300 – 500ºC. Dintre toate suprafetele de incalzire ale unui cazan de abur, supraincalzitorul se gaseste in cele mai grele conditii de temperatura si presiune, asa cum rezulta din datele prezentate mai sus. Pe ultima parte a traseului gazelor de ardere se dispun preincalzitoarele de aer. Acestea au rolul de a preincalzi aerul care se introduce in focar pentru intretinerea arderii, in asa fel incat sa se utilizeze cat mai judicios caldura gazelor de ardere, pentru a se evita preluarea unei cantitati considerabile de caldura in focar. Bineinteles ca dispunerea subansamblelor nu este aceeasi la toate agregatele de cazane. In functie de tipul constructiv, locul de utilizare, felul combustibilului, capacitatea si parametrii aburului etc., subansamblele cazanului pot fi
construite din una, doua sau mai multe celule, sau pot fi combinate astfel ca practic exista o mare varietate constructiva in acest domeniu. Pentru ca gazele de ardere produse in focar prin arderea combustibilului sa se poata deplasa prin canalele de fum ale cazanului, unde transmit caldura prin intermediul suprafetelor de incalzire, este necesara o forta exterioara, numita tiraj. Acesta are si rolul de a impiedica gazele de ardere sa iasa afara din inzidire prin usi de incarcare, ferestre de observatie etc. Tirajul poate fi natural, cand este creat cu ajutorul unui cos inalt, sau artificial cand este creat cu ajutorul ventilatoarelor. Actiunea cosului se bazeaza pe diferenta greutatilor specifice a doua coloane de gaze: de o parte aerul rece exterior si de cealalta parte gazele de ardere, calde. Coloanele de aer exterior fiind mai grea decat coloana gazelor de ardere exercita o presiune continua asupra coloanei gazelor de ardere, determinand deplasarea acesteia de-a lungul canalelor. Tirajul intrun cazan este cu atat mai puternic cu cat corpul de fum este mai inalt si cu cat temperatura gazelor care ies la cos este mai mare. In general depresiunea (tirajul) este de ordinul catorva zeci de milimetri coloana de mercur. 2. Turbina cu abur In cadrul procesului de utilizare a caldurii, energia potentiala a aburului produs in cazan poate fi transformata in energie cinetica cu ajutorul turbinei cu abur. Datorita perfectionarii actuale turbinele cu abur au devenit cele mai puternice motoare termice, putand dezvolta puteri de ordinul a 200.000 kW. Principal, functionarea turbinei cu abur este similara functionarii turbinei cu apa: un jet de fluid loveste puternic paletele unei roti punand-o in miscare. In ajutaje, care au o seciune variabila simplu convergenta sau convergent-divergenta are loc un proces de destindere a aburului, adica transformarea unei parti din energia potentiala – presiune si temperatura – in energie cinetica – viteza. Un al doilea proces de transformare are loc in canalele formate de paletele montate pe discuri, unde energia cinetica a aburului este convertita in lucru mecanic, materializat in miscarea discului. Daca destinderea aburlui se produce numai in ajutaje masina se numeste turbina de actiune. In cazul cand procesul de destindere continua si in canalele formate de palete – ca urmare a unei forme constructive adecvate – masina se numeste turbina cu reactiune. La acest tip de turbina lucrul mecanic este produs atat ca urmare a actiuniii directe exercitate de abur asupra paletelor, cat si ca urmare a reactiunii exercitate de jetul de abur in urma destinderii sale dintre palete. Pentru o utilizare rationala a energiei potentiale a aburului, la turbinele actuale, destinderea se realizeaza treptat in mai multe grupe de discuri ajutaj-palete. Turbinele cu trepte de presiune sunt mai mari si mai complicate din punct de vedere constructiv, dar prezinta avantajul de a permite utilizarea energiei termice in proportie de 75 – 85%. Turatia lor se incadreaza in limitele normale cerute de consumatori, fapt ce poate fi realizat foarte usor, deoarece viteza aburului la iesirea din ajutaje poate fi aleasa dupa dorinta, prin impartirea intervalului de presiune total intr-un numar mai mare sau mai mic de trepte. De regula, la turbina cu trepte de presiune viteza aburului la iesirea din ajutaje este cuprinsa intre 200 – 500 m/s. Parametrii ridicati ai aburului la intrarea in turbina, care la agregatele moderne sunt de ordinul a 150 – 300 at pentru presiune si 540 – 570ºC pentru temperaturi, impun folosirea unor materiale corespunzatoare la constructia acestor masini pe de o parte si o atentie sporita la exploatarea lor pe de alta parte. Utilizarea aburului cu parametri inalti este justificata prin obtinerea unui randament superior al turbinei. Functionarea turbinelor este legata de existenta unor instalatii auxiliare care prezinta pericol de incendiu. Astfel, in centralele electrice, turbinele cu abur poseda un sistem de ungere sub presiune si un sistem de reglaj, ambele deservite de un circuit de ulei. Rezervorul de ulei cuprinde in medie o cantitate de 16 – 30 tone ulei, dar exsita instalatii a caror capacitate ajunge la 80 tone ulei. Asigurarea protectiei contra incendiilor in conditiile existentei unei mari cantitati de lichid combustibil in vecinatatea instalatiilor prin care circula abur cu presiune si temperatura inalta, ridica o serie de probleme speciale a caror rezolvare impune adoptarea unor solutii diversificate, atat din punct de de vedere constructiv cat si al exploatarii. 3. Termoficare Analiza modului cum se utilizeaza caldura obtinuta prin arderea combustibilului dezvaluie faptul ca randamentul efectiv al acestui proces se situeaza in jurul valorilor de 25 – 30%. Gradul de utilizare a caldurii poate fi marit prin perfectionarea mijloacelor termotehnice de transformare a energiei termice in energie mecanica si printr-o gospodarie judicioasa a aburului ramas, pentru incalzire, in cadrul unui ansamblu de masuri denumit termoficare. Practic aceasta se realizeaza prin folosirea aburului iesit din turbina, avand parametrii termici relativ scazuti pentru a mai efectua lucru mecanic in mod economic, dar suficient de mari pentru a utiliza in incalzire (p = 1,2 – 2,5 at si t > 100ºC). Cand sunt necesare presiuni sau temperaturi mai ridicate – indeosebi pentru utilizari industriale – se poate preleva o cantitate de abur printr-o priza de la o treapta intermediara a turbinei. Instalatiile de termoficare sunt construite ca anexe ale centralelor electrice (termocentrale). Aburul sau apa fierbinte din sistemul de termoficare circula prin tevi si radiatoare in instalatii de incalzire ale cladirilor si obiectivelor industriale. Daca agentul termic este incalzit intr-un cazan de dimensiuni mai mici, propriu unei anumite cladiri, instalatia respectiva poarta denumirea de instalatiei de incalzire centrala. Apa calda produsa in cazanul situat in subsolul cladirii se ridica datorita micsorarii greutatii specifice prin incalzire sau este antrenata de o pompa hidraulica la nivelul cel mai inalt al cladirii intr-un vas de distributie de unde printr-un sistem
de tevi este repartizat in radiatoarele incaperilor se produce un schimb complex de caldura: apa calda sau aburul cedeaza caldura peretilor prin conductie, apoi are loc din nou un proces de convectie a caldurii intre radiator si aerul din camera. Transmiterea caldurii este relativ scazuta deoarece temperatura radiatorului are valori mici. Dupa ce a cedat o parte din caldura prin radiatoare apa calda este condusa prin tevi la un cazan unde se reincalzeste si reia circuitul de la capat. 4. Motorul cu ardere interna Dintre toate masinile termice, motorul cu ardere interna are incontestabil cea mai mare arie de raspandire si utilizare. Fabricate intr-o gama de puteri foarte larga, de la fractiuni de cal-putere pana la zeci de mii de cai-putere, intr-o multitudine de variante constructive, motoarele cu ardere interna servesc la transformarea energiei chimice a unui combustibil prin ardere, in energie cinetica. Spre deosebire de alte motoare termice cum ar fi masina cu aburi (locomotiva) sau turbina, la care pregatirea agentului termic, care executa lucrul mecanic, se face separat de spatiul unde energia potentiala a acestui agent se transforma in energie cinetica, la motoarele cu ardere interna convertirea energiei chimice a combustibilului in energie potentiala a unui amestec de gaze (arderea) si apoi in energie cinetica a organelor masinii se face in acelasi spatiu (cilindrii cu piston sau camere de combustie care fac parte integranta din corpul motorului). Indiferent de tipul motorului – cu piston si aprindere prin scanteie. Diesel, rotativ sau cu pistoane libere – procesul de obtinere a lucrului mecanic are anumite elemente comune din punct de vedere termic. Astfel o prima etapa in functionarea motorului cu ardere interna consta in pregatirea amestecului de ardere prin amestecarea combustibilului cu aerul in cantitati bine definite, in vederea realizarii unei arderi complete. Urmeaza aprinderea prin scanteie sau autoaprinderea amestecului combustibil si ridicarea parametrilor termici – presiunea si temperatura. In cilindrii motorului presiunea actioneaza asupra pistonului determinand deplasarea sa si deci, obtinerea unui lucru mecanic util. Etapele procesului termic desfasurat in motor nu conincid cu timpii de functionare ai motorului (admisie, compresie, explozie, evacuare). Miscarea de translatie a pistonului este transformata in miscare de rotatie a arborelui cu ajutorul mecanismului biela-manivela. In ultimul timp au fost construite motoare cu pistoane rotative (de sectiune triunghiulara care se rotesc in interiorul unei carcase) unde a fost eliminat mecanismul biela-manivela. 5. Compresorul Masinile termice prezentate mai sus transforma energia potentiala a unui agent termic in energie potentiala a unui agent termic in energie cinetica. Uneori insa, este necesar sa se dispuna pentru anumite procese industriale de un gaz cu presiune ridicata. Aceasta poate fi obtinut cu ajutorul compresorului (masina termica ce transforma energia mecanica in energie potentiala a unui gaz). Constructiv, compresorul prezinta numeroase similtitudini cu un motor. Subansamblul principal al unui compresor il constituie tot cilindrul in care se deplaseaza un piston. Diferenta consta in faptul ca spre deosebire de motor, in cazul compresorului pistonul este miscat, prin intermediul mecanismul biela-manivela si al arborelui cotit, de o sursa de energie exterioara. Ca si motorul, compresorul dispune de un sistem de supape prin care se face admisia gazului in cilindru si respectiv refularea, la o presiune mai ridicata, intr-un rezervor. Din cauza unor caracteristici constructive si functionale instalatiile de compresoare prezinta anumite pericole de incendiu care trebuie cunoscute si inlaturate. Astfel, in cazul compresoarelor de aer se formeaza amestecuri explozive de vapori de ulei (folosit la ungerea masinii) si aer care in anumite concentratii (6 – 11%) pot exploda la temperaturi relativ scazute. Compresoarele utilizate in obiective din industria chimica pentru ridicarea presiunii unor gaze ca amoniac, acetilena, oxigen etc. prezinta pericole deosebite de incendiu si explozie, de aceea in fiecare caz se iau o serie de masuri constructive si de exploatare. Spre exemplu compresoarele pentru acetilena sunt prevazute cu un sistem de racire eficienta, iar in anumite situatii se amplaseaza sub apa, existand astfel si posibilitatea urmaririi etanseitatii cilindrilor de lucru. La compresoarele pentru oxigen, toate organele care vin in contact cu gazul se executa din bron sau otel inoxidabil. Tinand seama de faptul ca in prezenta uleiului sau a substantelor grase oxigenul aflat sub presiune produce explozii, la acest tip de compresoare, drept lubrifiant se foloseste apa. In fiecare caz trebuie analizata comportarea gazului respectiv in intervalul de temperaturi si de presiuni la care lucreaza instalatia, modificarile de stare care pot surveni in conditiile existente in instalatie, interactiunea gazului cu materialele din care este construita instalatia s.a.m.d. PARTEA A DOUA ELECTRICITATEA Capitolul VII Electrostatica 1. Obiectul electrostaticii
Au trecut mai bine de 2500 de ani de cand pe cale experimentala s-a constatat ca unele corpuri ca rasina, ceara rosie, chihlimbarul, marmura etc., dupa ce acestea au fost frecate, au proprietatea de a atrage obiecte usoare ca fire de bumbac, fulgi de pasare, bucatele de hartie. Insusirea dispare destul de repede dupa incetarea frecarii si reapare imediat dupa o noua frecare. Mult mai tarziu, prin anul 1600, experimentarile au fost reluate, stabilindu-se si alte corpuri care prin frecare au aceasta proprietate. Dat fiind ca primul corp la care s-a constatat aceasta proprietate a fost chihlimbarul, care in limba greaca este denumit electron, fenomenul s-a numit electrizare. Cercetarile, in acest domeniu au continuat, s-au stabilit legi de interactiune cu ajutorul carora se calculeaza cantitatile de electricitate si s-au pus bazele electrostaticii. Electrostatica este studiul electricitatii in echilibru. Ea cuprinde ansamblul fenomenelor caracteristice starii de echilibru a sarcinilor electrice. Fizicianul Charles du Fay descopera in anul 1733 cele doua feluri de electrizari de semn contrar si anume electrizarea la fel ca sticla si electrizarea la fel ca rasina. Aceasta inseamna ca sticla electrizata respinge corpurile pe care ebonita electrizata le atrage. Prin aceasta s-a facut un pas inainte in domeniul electrostaticii. Electricitatea obtinuta prin frecarea sticlei a fost numita conventional de Franklin, in anul 1746, electricitate pozitiva, iar electricitatea produsa prin frecarea ebonitei, electricitate negativa. Experientele au dovedit ca corpurile incarcate cu sarcini electrice de semn contrar se atrag, iar cele incarcate cu acelasi fel de electricitate se resping. Indiferent de corpul care se freaca, el se electrizeaza fie pozitiv, fie negativ, un al treilea fel de sarcina electrica nu exista. Prin frecarea a doua corpuri, ambele se electrizeaza reciproc, unul negativ, iar celalalt pozitiv. Frecarea separa cantitati de electricitate egale si de semne contrare, care inainte se neutralizau reciproc. Experientele au dovedit ca orice sarcina electrica apare sau dispare impreuna cu alta sarcina, egala si de semn contrar. Aceasta inseamna ca intr-un sistem izolat presupun initial incarcat cu o anumita sarcina negativa sau pozitiva, orice electrizare ulterioara o face sa ramana neschimabata, deoarece suma algebrica a sarcinilor este nula. Acesta este principiul conservarii electricitatii. 2. Izolanti si conductori Toate corpurile pot fi electrizate insa unele pastreaza electricitatea in punctele in care aceasta a fost generata (chihlimbarul, sticla, sulful, ebonita, rasina, parafina etc.) in timp ce altele, (metale, tesuturi animale sau vegetale, diverse minerale, solutii saline, bazice sau acide etc.) o lasa sa se propage in intreaga masa. Aerul si in general gazele in stare uscata si in conditii normale de temperatura si presiune sunt izolanti electici, in schimb in stare umeda devin conductori. Intre izolanti si conductori electrici exista o clasa de corpuri mai putin conducatoare numiti semiconductori si care au o mare importanta stiintifica si tehnica. 3. Explicarea fenomenelor de electrizare Cercetarile efectuate asupra constitutiei materiei au reusit sa dezlege si fenomenul producerii si natura curentului electric. Originea si interpretarea fenomenelor de electrizare sunt de natura electronica. Pana nu de mult, atomul a fost considerat ca cea mai mica particula a unui element chimic. El este de fapt cea mai mica fractiune dintr-un corp simplu (substanta chimica), care isi mai pastreaza proprietatile chimice ale corpului respectiv. Cercetarile fizicienilor au stabilit ca atomul are structura complexa, in compunerea lui intrand particule incarcate cu sarcini electrice (negative si pozitive) si neutre. Atomul este format dintr-un nucleu incarcat cu sarcini pozitive si dintr-un numar de electroni cu sarcini electrice negative. Nucleul atomului la randul sau este alcatuit din protoni si neutroni cu sarcini electrice negative. Nucleul atomului la randul sau este alcatuit din protoni si neutroni. Protonii au sarcini electrice pozitive, egale si de semn contrar cu ale electronilor, in timp ce neutronii desi au aceeasi masa ca si protonii sunt neutrii din punct de vedere electric, adica sunt lipsiti de sarcini electrice. Electronii se invartesc in jurul nucleelor atomice pe diferite orbite fixe, asa cum graviteaza planetele in jurul soarelui. Dat fiind faptul ca fiecare proton este purtatorul unei sarcini electrice pozitive, egala si de semn contrar cu sarcina unui electron, rezulta ca sarcinile electrice pozitive din nucleul atomului sunt neutralizate de sarcinile negative ale electronilor ce se invartesc pe orbite: deci atomul este neutru din punct de vedere electric. Electronul este extrem de mic; un electron cantareste 0,9 ∙ 10-27 g, el este de 1836,5 ori mai mic decat nucleul de hidrogen. Daca din diferite cauze, de exemplu datorita frecarii, un atom sau o parte din atomii unui corp pierd electroni, corpul respectiv ramane cu un exces de sarcini pozitive, iar electronii cedati se fixeaza pe atomii celuilalt, si-l incarca negativ. Din aceasta cauza, in timpul electrizarii apar, intotdeauna, ambele feluri de electricitate in cantitati egale. Deci electrizarea prin frecare este o consecinta a schimbului de electroni intre atomii celor doua corpuri. Se poate spune ca electrizarea pozitiva corespunde unei pierderi de electroni, iar electrizarea negativa corespunde unui adaos de electroni liberi. Tinand seama de cele aratate mai sus se explica destul de usor principiul conservarii electricitatii uneori pozitiv si alteori, negativ.
In cazul frecarii a doua corpuri, incarcarea pozitiva revine corpului care cedeaza mai usor electronii. Este de remarcat faptul ca schimbul de electroni se poate produce nu numai prin frecare ci si in urma unui contact intim intre doua corpuri diferite. Chiar si prin simplul contact a doua placi metalice diferite se produce o electrizare pentru ca unul dintre metale cedeaza electroni celuilalt. Izolantii pastreaza electronii stabili mai bine decat conductorii in schimb metalele ii pierd cu mult usurinta. Atomii care dintr-o cauza oarecare au pierdut sau au in plus unul sau mai multi electroni se numesc ioni. Cand atomul a pierdut electroni (are mai putini) este incarcat pozitiv si se numeste cation, iar cand are in plus electroni este incarcat negativ si se numeste anion. In unele corpuri, in afara electronilor legati de proton, prin miscarea de rotatie pe care o exercita in jurul sau, mai exista, intre atomi, si electroni liberi raspanditi la intamplare, numarul electronilor liberi putand fi mai mare sau mai mic. Desi conductorii contin electroni liberi ei sunt totusi neutri din punct de vedere electric, pentru ca numarul lor este egal cu numarul sarcinilor pozitive ale cationilor. Electronii liberi din conductori au o miscare dezordonata, asemanatoare cu miscarea termica a moleculelor unui gaz perfect. Corpurile in care electronii liberi pot fi usor smulsi din atom sau in care electronii liberi se deplaseaza usor intre atomi se numesc corpuri bune conducatoare de electricitate. Conductorii tinuti in mana nu pot fi electrizati prin frecare deoarece electronii smulsi din atomi sunt inlocuiti imediat cu altii veniti din pamant prin corpul omenesc. Prin descoperirea electronului si a proprietatilor lui, fenomenele electrice, multa vreme ramase neexplicate, s-au putut lamuri in cele mai mici amanunte. Cunoscand interpretarea electronica a electrizarii, intelegerea deosebirii de comportare dintre izolant si conductori devine mai usoara. Izolantii (dielectrici) nu au electronii liberi si din aceasta cauza prin ei nu pot circula sarcini electrice. Un electron, in momentul trecerii pe un izolant, se fixeaza imediat pe un atom care la randul sau este fixat in reteaua structurala. Sarcina negativa, pe care atomul a primit-o, este astfel imobilizata si deci nu se mai raspandeste. Acelasi fenomen se intampla si cu atomii izolantului care au pierdut electroni si anume excedentul de sarcina pozitiva ramane localizat, pentru ca ei nu pot primi alti electroni, de la atomii din regiunile vecine, care sa aiba menirea de compensare a pierderii. Cu totul altfel se comporta atomii de metale in cazul primirii si cedarii de electroni. Si intr-un caz si intr-altul sarcinile negative si excesul de sarcina pozitiva se imprastie. 4. Felurile electrizarii Un corp se poate electriza prin frecare, prin contact si prin influenta. Electrizarea prin frecare. Prin frecare se poate intampla ca o parte din atomii unui corp sa piarda electroni. Corpul ramane atunci cu un exces de sarcini pozitive, iar electronii cedati se fixeaza pe atomii celuilalt si-l incarca negativ. Deci electrizarea prin frecare se datoreste schimbului de electroni intre cele doua corpuri. Electrizarea prin contact. Un corp conductor care vine in contact cu un corp electrizat se incarca cu sarcini electrice. La corpurile rau conductoare, electrizarea prin contact se reduce la regiunile imediat vecine cu punctul de atingere, zona respectiva fiind cu atat mai redusa cu cat izolantul este de calitate superioara. Electrizarea prin influenta. Toate corpurile asezate in vecinatatea unui corp electrizat se electrizeaza prin influenta fara a fi nevoie de contact. Prin influenta apar intotdeauna atat electricitatea negativa cat si cea pozitiva, in cantitati egale, insa o data cu indepartarea corpului electrizat care determina electrizarea, cele doua sarcini se anuleaza. Doua sarcini electrice, egale, de semne contrarii si distantate intre ele alcatuiesc un dipol electric. Adesea, in locul denumirii de influenta electrica se foloseste si aceea de inductie electrostatica. In acest caz, corpul electrizat, care exercita actiunea poarta denumirea de inductor, iar cel ce-a primit-o, indus. Daca sarcina inductoare dispare sau daca inductorul se indeparteaza la o distanta foarte mare atunci indusul isi recapata starea neutra initiala prin recombinarea sarcinilor contrari. Pentru a impiedica aceasta neutralizare este suficient sa se atinga un moment indusul cu degetul, inainte de a se indeparta de inductorul. Asa de exemplu, daca inductorul este incarcat pozitiv, sarcina de acelasi semn este respinsa in pamant si in final indusul ramane cu o sarcina negativa, care se raspandeste pe toata intinderea lui. Fenomenul de inductie da posibilitatea ca un conductor sa fie incarcat cu un fel de electricitate cunoscut, fiindca sarcina ramasa are semnul contrar sarcinii inductoare. Experientele au demonstrat ca atat fortele de interactiune intre corpurile electrizate, cat si electrizarile prin inductie produse au loc nu numai prin stratul de aer si vid ci si printr-un izolant oarecare ca sticla, ebonita, uleiul, parafina si altele. Acesti izolanti au fost denumiti de Faraday dielectrici. 5. Legea lui Coulomb Aceasta lege a fost stabilita experimental si se enunta astfel: forta de interactiune (de atractie sau de respingere) dintre doua corpuri electrizate, de dimensiuni foarte mici in raport cu distanta dintre ele, este direct proportionala cu produsul sarcinilor electrice si invers proportionala cu patratul departarii dintre centralele corpurilor electrizate. Matematic, legea lui Coulomb se exprima astfel: F = 1 . q1 ∙ q2 in care, ε r²
F este forta de interactiune; ε constanta dielectrica sau permitivitatea; q1 si q2 sarcini electrice cu care sunt incarcate corpurile electrizate; r distanta dintre centrele corpurilor electrizate. Tabela 10 Constanta dielectrica pentru diferite medii Lichide - Petrol - Ulei de transformator - Anilina - Alcool etilic - Apa
ε 2 2,5 7,2 26 81
Gaze - Heliu - Hidrogen - Aer - Bioxid de carbon
ε 1,00007 1,0003 1,0006 1,001
Solide - Parafina - Ebonita - Sulf - Sticla - Mica
ε 2 2,7 3,6 – 4,3 5–7 6
In sistemul C.G.S. es. forta de interactiune se masoara in dyne. O dyna reprezinta forta de interactiune intre doua corpuri incarcate cu cate o sarcina unitate CGS electrostatica. Unitatea electrostatica CGS de electricitate fiind foarte mica s-a ales ca unitate practica de cantitate de electricitate coulombul care reprezinta 3.109 unitati de sarcina electrica. Cea mai mica sarcina de electricitate negativa este sarcina electronului si reprezinta 4,8 ∙ 10-10 unitati de sarcine electrica (se noteaza cu e). In sistemul international, forta de interactiune se masoara in newtoni (1 N = 1.105 dyne). 6. Distributia electricitatii pe conductori Experimental s-a stabilit ca la conductorii in echilibru electric, sarcina se raspandeste numai pe suprafata exterioara, iar fortele electrice nu actioneaza spre interior. Aceste fenomene au fost descoperite practic de catre Faraday. El s-a inchis intr-o cusca metalice care a fost electrizata la exterior. Aparatele luate in cusca nu au inregistrat prezenta surselor electrice induse. Acelasi lucru s-a constatat si in cazul legarii peretilor custii la pamant. Situatia se prezinta cu totul altfel daca cusca sau un cilindru oarecare sunt izolate fata de pamant. Asa, de exemplu, daca in interiorul custii sau cilindrului se introduce un conductor electrizat, atunci datorita inductiei, pe fata interioara apare o sarcina egala si de semn contrar si de acelasi semn pe cea exterioara. In cazul unor custi si cilindri neizolati transmiterea sarcinilor inceteaza pentru ca sarcinile induse pe peretele exterior se scurg in pamant. Pe aceasta insusire se bazeaza si utilizarea ecranelor electrice sau blindajelor, la care nici o sarcina electrica exterioara nu poate trece in interior pe conductorul blindat. Densitatea electrica. Densitatea electrica superficiala reprezinta raportul intre cantitatea de electricitate si suprafata pe care este raspandita. Adica σ = q in care, S σ este densitatea superficiala in coulombi/m²; q – cantitatea de electricitate in coulombi; S – suprafata in m². Densitatea electrica superficiala este mai mare la capetele ascutite si nula in interiorul conductorilor electrizati. 7. Campul electric Un corp electrizat isi manifesta prezenta prin fortele de atractie sau de respingere cu care actioneaza asupra altor corpuri electrizate, aflate in apropierea lui. Spatiul din jurul unui corp electrizat, in care acesta exercita actiunea sa electrica se numeste camp electric. Electrizarea prin influenta este posibila tocmai datorita existentei campului electric. Intr-un metal exista atat de mult electroni liberi incat orice camp electric va pune in miscare un mare numar dintre ei. Sa consideram o sarcina electrica Q in jurul careia ia nastere un camp electric. Din aceasta cauza o sarcina electrica + q aflata in acest camp la distanta r de sarcina Q, va fi respinsa cu forta F, in conformitate cu legea lui Coulomb: F=Q∙q . ε r² Intensitatea campului electric, notata cu E, este o marime electrica numeric egala cu forta care actioneaza asupra unitatii de sarcina electrica aflata in camp. Adica E = F . q
Daca se inlocuieste valoarea lui F data de legea lui Coulomb, atunci: E = __Q__ ε r² Aceasta expresie ne arata ca intensitatea campului intr-un punct oarecare este direct proportionala cu sarcina electrica care-l creeaza si invers proportionala cu patratul departarii de sursa.
8. Potentialul electric Un camp electric are o energie potentiala ca urmare a producerii de catre fortele electrice a unui lucru mecanic, atunci cand se deplaseaza o sarcina electrica libera aflata intr-un camp. Sa consideram o sarcina electrica care creeaza in jurul ei un camp electric. In acest camp se deplaseaza sub actiunea fortelor electrice de respingere o sarcina electrica libera, punctuala. Sa presupunem ca sarcina +q sub actiunea fortelor electrice de respingere se deplaseaza din punctul A in B. Pe timpul deplasarii, forta electrica care actioneaza asupra sarcinii punctuale produce un lucru mecanic L. Aceasta forta scade cu patratul distantei la sarcina electrica care creeaza campul electric. Lucrul mecanic efectuat de fortele electrice intre punctele A si B se exprima prin relatia: L = Qq (1 - 1) ε rA rB in care rA si rB reprezinta distantele dintre punctele A si B si sarcina Q. Consideram ca sarcina electrica +q egala cu unitatea (+1) se deplaseaza din punctul A la infinit. Pentru acesta fortele electrice excuta un lucru mecanic, valoarea lui fiind _Q_. ε rA Lucrul mecanic efectuat de fortele electrice necesar deplasarii unitatii de sarcina din punctul A la infinit se numeste potential electric din punctul A si se noteaza cu VA. La fel se poate spune si despre punctul B unde potentialul va fi VB. Deci, VA = _Q_ si VB = _Q_ ε rA ε rB Pentru a deplasa sarcina electrica +q din A in B este necesar lucrul mecanic L = q (VA - VB); expresia reprezinta produsul dintre sarcina electrica q si diferenta de potential dintre cele doua puncte. Diferenta de potential VA – VB intre doua puncte ale campului electric se mai numeste si tensiune electrica. Unitatea de tensiune electrica este voltul. Spunem ca intre doua puncte ale unui camp electric exista o tensiune de un volt atunci cand este necesar un lucru mecanic de un joule pentru a transporta un coulomb de electricitate inte aceste puncte. Deci, 1 V = 1 J = __107ergi __ = _1 _u.e.s. 1 C 3∙109u.e.s. 300 In fizica atomica si nucleara, energia se masoara cu electrovoltul (eV), care reprezinta lucrul mecanic produs la deplasarea unui electron intr-un camp electric la o diferenta de potential de un volt. Deci, L = 4,8 ∙ 10-10 __1__ = 1,6 ∙ 1012 ergi = 1,6 ∙ 10-5 jouli 3∙1012 1 eV = 1m6 ∙ 10-12 ergi = 1,6 ∙10-5 jouli. 9. Capacitatea electrica Unele corpuri au nevoie de o cantitate de electricitate mai mare decat altele pentru a ajunge la acelasi potential, deoarece capacitatea lor electrica este mai mare. Prin urmare, intre cantitatea de electricitate raspandita pe un corp si potentialul pe care-l capata corpul exista un raport constant egal cu Q . V
Raportul dintre cantitatea de electricitate raspandita pe un conductor si potentialul pe care-l capata acest conductor electrizat poarta denumirea de capacitate electrica si se noteaza cu C. Deci, C=Q V Unitatea de masura a capacitatii electrice este faradul (F), si corespunde capacitatii electrice a unui conductor care incarcat cu 1 coulomb de electricitate isi mareste potentialul cu 1 volt. Deci, 1F=1C 1V inlocuind valorile lui C si V obtinem: 1 F = 1 C = 3 ∙ 109 = 9,10 cm. 1 V 3 ∙ 102 Practic, ca unitate de masura se foloseste microfaradul si picofaradul. 10. Condensatorul electric Condensatorul electric este un ansamblu de doua conductoare electrice (armaturi) separate printr-un mediu izolant. Daca la armaturile unui condensator se aplica o tensiune electrica continua, acestea se incarca cu sarcini electrice egale si de semne contrare. In raport de forma armaturilor se deosebesc condensatoare plane, sferice si cilindrice. Caracteristicile electrice principale ale condensatoarelor sunt capacitatea electrica, tensiunea de strapungere si pierderile de putere. Fenomenul de acumulare a sarcinilor electrice pe armaturi se numeste incarcarea condensatorului si are loc in urma aplicarii unei tensiuni electrice la borne. Fenomenul de neutralizare totala sau partiala a sarcinilor electrice de pe armaturi se numeste descarcarea condensatorului si are loc prin mijlocirea unui curent de regim, care este curentul de descarcare. Condensatorul este folosit ca acumulator de sarcina electrica in electrotehnica, ca element principal in circuitele electrice alternative etc. 11. Electricitatea atmosferica Pe timp linistit, senin, deasupra unui camp sau unei mari, potentialul electric creste cu aproximativ 100 V/m. Aceasta crestere, raportata la variatia de inaltime defineste intensitatea campului electric din jurul Pamantului. Valoarea numerica de 100 V/m este medie pentru intreaga suprafata a Pamantului si se refera la paturile inferioare ale atmosferei. La peste 9000 m gradientul scade pana la 2 V/m. Liniile de forta ale campului se orienteaza, de regula, de sus in jos, ceea ce inseamna ca atmosfera este incarcata pozitiv, iar Pamantul negativ. Pentru ca atmosfera sa poata fi electrizata ea trebuie sa contina un anumit numar de molecule ionizate. S-a stabilit ca ionizarea este produsa de ceva din afara Pamantului si anume, in principal, de razele cosmice. In afara de ionii constituiti din molecule mai exista si alte tipuri de ioni. Particulele extrem de mici de praf plutesc in aer si se incarca cu electricitate. Ioni se mai produc si in urma spargerii unui val marin. Stropii de aer foarte fini, in scurt timp se evapora, iar cristalele de Na Cl plutesc in aer si se incarca cu electricitate, devenind „ioni mari”. Ionii mici, formati sub actiunea razelor cosmice sunt mai mobili, miscandu-se in aer cu o viteza mare – 1 cm/s, intr-un camp de 100 V/m. La nivelul solului si in conditii normale, fiecare centimetru cub de aer contine 500 – 600 ioni. Exista mai multi ioni pozitivi decat negativi, fapt care face ca sarcinile electrice pozitive sa domine. Astfel se explica de ce campul electric, intre atmosfera si Pamant, are sensul constant. Datorita deplasarilor de ioni conductibilitatea aerului creste cu altitudinea. Pamantul este incarcat negativ, iar potentialul atmosferic este pozitiv. Gradientul de potential atmosferic sufera variatii periodice, de la zi la noapte sau de la vara la iarna cu efecte spectaculoase. In unitatea de volum numarul ionilor creste, iar gradientul de potential poate sa ajunga sau sa depaseasca chiar 10000 V/m. In acest caz, in afara de fulgere si trasnete se mai produc si efluvii in varfurile ascutite si efectul corona in jurul obiectivelor mai inalte. Astfel de fenomene pot fi vazute de marinari in jurul catargelor sau de alpinisti in jurul bastoanelor pe care se sprijina. Furtunile cu fulgere transporta sarcini negative pe Pamant. Trasnetul aduce sarcini negative pe Pamant, in cantitati destul de mari.
In fiecare zi se produc aproximativ 300 furtuni pe intreaga suprafata a Pamantului si datorita lor se mentine o diferenta de potential in straturile superioare ale atmosferei. Datorita curentilor de aer, ionilor si picaturilor de apa pe particule de gheata intr-o furtuna, sarcinile pozitive si negative sunt separate. Sarcinile pozitive sunt transportate in sus spre varful norului, iar cele negative sunt descarcate pe Pamant sub forma de trasnete. Sarcinile pozitive parasesc varful norului, intra in straturile de mare altitudine in care aerul este mai bun conducator, iar in zilele senine sunt conduse incet spre Pamant de ionii de aer, ioni formati din razele cosmice. Dat fiind ca norii se incarca negativ la baza si pozitiv in straturile superioare, intre ei pot sa apara mari diferente de potential. Descarcarea electrica luminoasa care se produce intre nori, se numeste fulger. Lungimea obisnuita a scanteilor electrice, care strabat norii sub forma de fulger este de 1 – 2 km, dar uneori poate sa ajunga la 10 – 15 km. Intesitatea curentului pe care-l transporta este de ordinul a 10000 pana la 20000 amperi. Intr-o miime de secunda puterea debitata de un fulger, sub o intensitate de 20000 amperi si diferenta de potential de 250 milioane volti este de 5.10-9 kW. Descarcarea electrica, care se produce intre nor si un corp de pe Pamant se numeste trasnet. Ca si fulgerul, trasnetul este insotit de bubuituri puternice numite tunete. Cum se produce practic trasnetul ? Potentialul norului este mult mai mare decat al Pamantului, motiv pentru care electronii negativi vor fi accelerati spre Pamant. Se formeaza o „coloana” in trepte prin care electronii negativi se deplaseaza (o pata luminoasa) de la nor cu viteza foarte mare (o sesime din viteza luminii). Dupa ce se misca aproximativ 50 m, sta circa 50 microsecunde, dupa care se deplaseaza din nou si asa mai departe. Deci, catre Pamant, miscarea se face in trepte, de-a lungul unui traseu. Coloana incarcata cu sarcini negative provenite din nor ionzeaza aerul, care devine conductor pe acest traseu. In momentul in care „coloana” atinge Pamantul se formeaza „un fir conductor incarcat negativ, care strabate intregul traseu pana la nor. Trasnetul se deplaseaza extrem de rapid de jos in sus (de pe Pamant) pana la nor si constituie partea cea mai stralucitare, numita si linie de intoarece. Aceasta linie produce lumina foarte stralucitoare, cladura, iar printro destindere rapida a aerului, tunetul. Dupa cateva sutimi de secunda, cand linia de intoarcere a disparut o alta „coloana” coboara. Astfel, trasnetul se repeta o data, de doua ori, iar in unele cazuri, de cinci sau de mai multe ori. Cateodata, „coloana” poate dezvolta o ramura trimitand doua trepte, ambele catre Pamant, insa in directii oarecum diferite. Alte ori, apare un gen de fulger destul de interesant, numit fulger globular. El este o descarcare electrica foarte rara, caracterizata prin aparitie in timp de furtuna a unui glob luminos de cativa centimetri in diametru, care pluteste in aer. Acest glob purtat de curentii de aer poate patrunde in incaperi, pe usi, ferestre deschise, iesind eventual pe cos sau sa dispara cu zgomot la atingerea unui obiect sau a peretelui. Fulgerul globular prezinta un mare pericol pentru incaperile in care se lucreaza cu lichide inflamabile, putand da nastere la incendii. Deoarece fulgerul este un fenomen electric, el poate produce aceleasi efecte ca orice trecere de curent printr-un conductor sau de traversare a curentului printr-un material rau conductor sau izolant. Urme vizibile de incalzire, efecte de topire pot fi observate frecvent la sarme de antena, sarme subtiri de otel, sarme zincate. La trecerea curentului prin materialele rau conducatoare de electricitate, o mare parte din energie este transformata in caldura care vaporizeaza continutul de apa din lemn, din caramida si din alte asemenea materiale. Din cauza suprapresiunii, a duratei scurte a fenomenului se produce spargerea de natura exploziva a copacilor, a stalpilor de lemn, a grinzilor si a zidurilor. La trecerea prin arbori trasnetul alege partea umeda a lemnului. In solurile cu rezistenta electrica mare (nisip quartos) se produc topiri (se formeaza sticla) de nisip, in punctele atinse de trasnet. Daca trasnetul loveste intr-o stanca are loc o faramitare a acesteia la suprafata, in calea scurgerii lui catre Pamant. La trecerea transnetului de durata mica si de intensitate mare printr-un material combustibil sau usor combustibil, acesta nu este aprins ci imprastiat (fan, paie etc.). In schimb, daca are loc descarcari de mica intensitate si de lunga durata, aprinderea este posibila. De obicei, descarcarea principala este urmata de descarcari ulterioare de mica intensitate. Trasnetul poate sa loveasta direct intr-un obiectiv (actiune principala), sa patrunda in interior prin intermediul retelei de iluminat, de apa, sau sa loveasca la anumite distante (actiune secundara). Actiunile secundare nu sunt altceva decat fenomene care apar in interiorul cladirii datorita inductiei electrostatice si electromagnetice. Protectia impotriva trasnetelor se asigura prin instalatii de paratrasnet care se construiesc de diferite tipuri. 12. Electricitatea statica in industrie In cursul desfasurarii a numeroase procese tehnologice din diferite intreprinderi fenomenul de electrizare se produce destul de des. In timpul functionarii mecanismelor si masinilor unelte, datorita frecarii, se acumuleaza pe partile metalice electricitate statica creand astfel in jurul lor un camp electric, deci apare pericolul descarcarilor electrice. Daca aceste descarcari au loc intr-un mediu inflamabil sau exploziv, declansarea incendiilor si exploziilor este iminenta. Este suficient sa amintim ca in industria unde se lucreaza cu substante fin macinate (industria zaharului, a sulfului, a produselor fainoase, in minele de carbuni etc.) un mare numar de explozii se datoresc scanteilor electrice produse de electricitate statica. In fabricile de cauciuc si talpa artificiala se produce electrizarea materialelor de baza (cauciuc, benzina etc.), care mentin timp indelungat sarcinile electrice. Sarcini electrice se produc si la fabricarea firelor sintetice, a foliilor de clorura de polivinil si in general la fabricarea si manipularea materialelor plastice, bineinteles datorita frecarii.
Practica ne arata ca cel mai mare pericol il creeaza sarcinile electrice, care se produc la pomparea, incarcarea si descarcarea produselor petroliere, la spalarea tesuturilor cu lichide inflamabile si la transmisiile prin curele. La introducerea in rezevor a unui combustibil incarcat electrostatic, in urma frecarii lichidului pe timpul pomparii si transportului pe conducta, sarcinile electrice se indreapta atat spre peretele rezervorului cat si pe suprafata libera a lichidului ca o consecinta a respingerii reciproce. Sarcinile electrice care ajung la peretele rezervorului prin atragerea si combinarea cu sarcinile de semn contrar din materialul peretelui, determina separarea lor, in timp ce sarcinile de acelasi semn rezultate se aduna pe suprafata exterioara a peretelui. In schimb, sarcinile care ajung la suprafata libera a lichidului se combina cu multa greutate si astfel apare o diferenta de potential intre acestea si sarcinile opuse de pe partea interioara a peretelui. Acumularea sarcinilor electrice este insotita intotdeauna de cresterea intensitatii campului electric ce se produce in spatiul de vapori din rezervor. Cantitatea sarcinilor electrostatice care se produc in unitatea de timp, in curentul de lichid, depinde de natura si cantitatea impuritatilor continute in produsul petrolier, de calitatea suprafetei interioare a rezervorului sau conductelor si de starea lor, de proprietatile dielectrice, de densitatea si vascozitatea lichidului, de viteza de curgere a lichidului, de lungimea si diametrul conductei respective. La o curgere laminara a lichidului combustibil, marimea incarcarii electrostatice este proportionala cu viteza de miscare si nu depinde de diametrul conductei. Prezenta in produsele petroliere a urmelor de apa, a aerului si a gazelor nedizolvate sau a particulelor coloidale, intensifica incarcarea electrostatica. La un rezervor umplut incomplet, sarcinile electrice se acumuleaza pe suprafata libera a lichidului incombustibil. Cu cat suprafata este mai mare cu atat sarcinile electrice se acumuleaza in cantitati mai mari. Cantitatea de sarcini electrice acumulate este determinata de produsul dintre densitatea acestora si suprafata libera a lichidului pe care se acumuleaza. Pulverizarea si agitarea lichidelor atrage dupa sine formarea sarcinilor electrostatice, care in functie de conductibilitatea electrica a lor se pot acumula sau scurge la pamant. Sarcini electrice se produc si pe timpul spalarii manuale a textilelor, adica la introducerea si scoaterea brusca a obiectelor respective in vas, la frecarea lor in lichid si a firelor textile intre ele. Cu cat lichidul se agita mai mult, adica se produce o turbulenta, un barbotaj, cu atat cantitatea de sarcini electrice este mai mare. Sarcini electrice iau nastere chiar si la stergerea mainilor cu o carpa inmuiata in benzina. Dintre toate tesaturile cel mai mult se electrizeaza cele din matase artificiala si sintetice (nylon, relon, rolan etc.), apoi cele de bumbac si lana. In mod teoretic, la orice separare a corpurilor solide de cele lichide apar sarcini electrice. Pe timpul spalarii, impurificarea din ce in ce mai mult a lichidului contribuie la cresterea sarcinilor electrice. Pericolul apare in momentul formarii scanteilor electrice, ca urmare a descarcarilor electrice. La descarcarea electricitatii, intensitatea curentului este foarte mica si nu poate ajunge, in cazul formarii scanteilor, decat la miimi de miliamperi, totusi suficient pentru a putea aprinde vaporii de lichide combustibile. O sarcina electrica de peste 1000 V poate produce scantei cu putere de inflamare a benzenului. La 1000 V se inflameaza benzina, la 3000 V aproape toate gazele combustibile, iar la 5000 V se aprind cele mai multe dintre prafurile combustibile. In tabela 11 se dau tensiunile in volti care se pot forma prin frecare, pe cateba materiale plastice, cauciuc, fibre sintetice etc. La unele transmisii cu curele se creeaza potentiale mari care pot depasi chiar 45 kV. Tabela 11 Potentialul format prin frecarea diferitelor corpuri Denumirea materialului sau substantei Celuloid Cauciuc in masinile de gumare Cauciuc in masinile de taiat Fibre sintetice in timpul etirarii Foi de clorura de polivinil, in timpul fabricarii Foi de clorura de polivinil, in timpul presarii Curele de transmisie din cauciuc, la viteza de 3 m/s Curele de transmisie din cauciuc, la viteza de 10 m/s - Benzen in cadere libera - Benzen si eter, circuland prin conducte cu viteza de 3 m/s - Benzen, circuland printr-o conducta metalica, la presiunea de 1,5 kgf/cm²
Tensiunea medie in V 40000 20000 150000 9000 200000 10000 25000 50000 4000 3000 3500
Sarcinile electrice se produc in timpul invartirii rotii conductoare (motrice) si anume cand cureaua antrenata se desprinde de pe roata. Datorita antrenarii si desprinderii, roata si cureaua se incarca cu electricitate de semne contrarii; de regula, roata se incarca pozitiv si cureaua negativ. Sarcinile electrice de pe roata se scurg la pamant prin lagare, parti metalice, roata gasindu-se intotdeauna la potentialul zero. Sarcinile de pe cureaua de transmisie se acumuleaza pe partea ei interioara incepand de la locul de desprindere de pe roata conductoare si pana la roata condusa. In momentul trecerii curelei pe roata condusa sarcinile se neutralizeaza, ca ele sa apara din nou de indata ce cureaua se desprinde de pe roata. Astfel petrecandu-se fenomenul, ambele jumatati ale curelei sunt incarcate cu sarcini electrice de acelasi semn. Pe lungimea curelei potentialul nu este acelasi; are valoarea zero in momentul infasurarii pe roata conductoare, creste pana la o anumita valoare ca apoi sa descreasca si sa devina iarasi zero, in momentul infasurarii pe roata condusa. Dupa parasirea rotii motrice potentialul creste brusc, apoi se mentine cam la aceeasi valoare, ca inainte de contact cu roata condusa sa scada brusc. Pentru jumatatea superioara a curelei, roata motrica
si cureaua se desprinde de pe ea, constituie generatorul de sarcini electrice, in timp ce roata condusa constituie consumatorul acestor sarcini; pentru jumatatea inferioara fenomenul se petrece invers (roata condusa genereaza sarcini electrice, iar cea motrica le neutralizeaza). In afara capacitatii curelei, asupra potentialului sarcinilor electrostatice mai influenteaza o serie de factori ca: umiditatea aerului inconjurator, impuritatile depuse pe suprafata interioara a curelei, incarcarea transmisie, viteza de miscare si latimea curelei. Numai curelele de transmisie cu viteza de miscare de peste 5 m/s si cu putere de transmisie de 6 – 8 CP pot fi socotite periculoase. Cantitati insemnate de electricitate statica se produc si la transportul prafului organic prin conducte sau la miscarea lui in aer. Separarea contactului suprafetelor dielectric-conductor sau dielectric-dielectric este intotdeauna insotita de aparitia pe ele a sarcinilor electrice, a caror marime depinde de proprietatile fizice ale substantelor, precum si de marimea si starea suprafetei de contact. In orice proces tehnologic de prelucrare si de transport al materialelor pulverulente (dielectrice) se pot delimita doua zone: zona de incarcare, in care materialul prelucrat se incarca electric si zona de descarcare, in care se descarca. In zona de incarcare se gasesc, de obicei, conductele de transport pneumatic, dispozitivele de pulverizare, de amestecare si alte dispozitive tehnologice, in care materialul relativ neincarcat intra energic in contact cu peretii utilajului. In aceasta zona descarcarea prin scantei de la material (cu exceptia particulelor izolate) nu are loc, si protectia utilajului metalic contra descarcarii se obtine prin punerea la pamant a acestuia. Capitolul VIII Electrodinamica 1. Curentul electric Miscarea dirijata a electronilor liberi printr-un metal se numeste curent electric. In general, miscarea oricarui fel de particule incarcate cu electricitate formeaza un curent electric permanent, sarcinile electrice trebuie sa circule in circuit inchis. Cea mai simpla instalatie electrica este formata dintr-o sursa de curent (element galvanic, acumulator, generator de curent) dintr-un consumator de curent (lampa electrica, aparat de incalzit, electromotor etc.) si din doua conductoare, care leaga bornele consumatorului. Sursa de curent transforma energia mecanica, termica, chimica sau o alta forma de energie, in energie electrica, iar consumatorul transforma energia electrica in energie de alta forma ca lumina, caldura, miscare etc. Sursa de curent, consumatorul si cele doua conductoare formeaza un circuit inchis in care se produce miscarea electronilor liberi. Aparatul care produce si mentine constanta o diferenta de potential (tensiune electrica) intre doi conductori A si B se numeste generator electric sau sursa electrica. Conductorii A si B se numesc borne sau poli. Sursa de curent constituie partea interioara a circuitului, iar consumatorul cu cei doi conductori partea exterioara a circuitului. In baza unei conventii stabilite cu decenii in urma s-a admis ca sensul curentului sa fie considerat in exterior de la borna pozitiva a sursei (+) spre borna negativa (-) a sursei, iar la interior de la borna negativa spre borna pozitiva. Un generator electric (generator de tensiune electrica) intr-un circuit electric are rolul pe care-l indeplineste o pompa intr-un circuit hidraulic. 2. Forta electromotoare. Tensiunea electrica. Diferenta de potential In interiorul generatorului au loc fenomene care duc la separarea sarcinilor electrice si mentinerea unei tensiuni electrice constante. Cauza care stabileste si mentine diferenta de potential, deci care pune in miscare sarcinile electrice de-a lungul circuitului este forta electromotoare. Ea este aceea care provoaca curentul electric. Forta electromotoare corespunde presiunii teoretice a pompei atunci cand aceasta nu debiteaza. Energia necesara pentru deplasarea sarcinii electrice q, este: W = q E, deci f.e.m., va fi: E=W q Pentru q = 1 coulomb, E = W. In acest caz, forta electromotoare este o marime electrica a carei valoare este numeric egala cu valoarea energiei necesare pentru a transporta sarcina de 1 Coulomb de-a lungul intregului circuit. Exprimand energia in jouli si cantitatea de electricitate in coulombi, f.e.m. se va exprima in volti. Cand circuitul electric este inchis si curentul circula, atunci in interiorul generatorului se vor ivi pierderi, care micsoreaza forta electromotoare. Diferenta dintre forta electromotoare si pierderile din interiorul generatorului se numeste tensiune electrica (uneori si diferenta de potential). Aceasta inseamna ca cu cat un corp prezinta o lipsa mai mare de electroni fata de un altul, cu atat se va spune ca intre cele doua corpuri exista o diferenta de potential sau o tensiune mai mare. Diferenta de potential sau
tensiunea se poate compara cu presiunea dintr-o conducta care uneste doua rezervoare cu apa care se afla la inaltimi diferite. Cu cat diferenta de inaltime va fi mai mare, cu atat presiunea si viteza apei din conducta ce uneste cele doua rezervoare va fi mai mare. In momentul in care ambele rezervoare se afla la aceeasi inaltime, nu mai curge nici un curent de apa prin conducta. Acelasi lucru se intampla cand exista doua corpuri incarcate la fel, cu electricitate, adica in care nu exista diferenta de electroni, deci nici o diferenta de potential, in acest caz nu va mai curge nici un curent prin conductorul care le uneste. Valoarea tensiunii electrice U, tinand seama de caderea de tensiune in circuitul interior, u este: U=E–u Tensiunea U este tensiunea care se aplica la capetele circuitului exterior si pune in miscare dirijata electroni liberi, formand astfle curentul electric care se utilizeaza in practica. In sistemul de unitati international (SI), unitatea de masura a tensiunii electrice este voltul (V), care este definita ca tensiunea electrica dintre doua puncte ale unui conductor parcurs de un curent constant de 1 amper, cand puterea disipata intre aceste puncte este de 1 watt.
3. Intensitatea curentului electric Intensitatea curentului electric este cantitatea de electricitate care trece printr-o suprafata data (conductor) in timp de o secunda. Intensitatea curentului electric se aseamana cu debitul de apa dintr-o instalatie hidraulica. Daca notam cu I intensitatea curentului, cu Q cantitatea de electricitate care trece prin sectiunea transversala a conductorului intr-un timp t, atunci se poate scrie relatia: I=Q t Unitatea pentru masurarea intensitatii curentului electric este amperul, care are ca simbol litera A. Amperul reprezinta o cantitate de 6,3 trilioane electroni care au trecut intr-o secunda printr-un conductor. In STAS 737-62 definitia unitatii de masura a intensitatii de curent este formulata astfel: „Amperul este intensitatea unui curent electric constant care mentinut in doua conductoare paralele, rectilinii de lungime infinita si de sectiune circulara neglijabila, asezate in vid la distanta de 1 m unul de altul, neglijabila, asezate in vid la distanta de 1 m unul de altul, ar produce intre aceste doua conductoare o forta egala cu 2.10-7 kg.m.s.-2 (newtoni) pe metru lungime.” Cantitatea de electricitate transportata intr-o ora de un curent constant de 1 amper defineste amper-ora (A.h.). Din relatia I = Q , rezulta, t Q = I ∙ t. Daca I = 1 A, iar t = 1 s, atunci Q = 1 A. 1 s = 1 amper-secunda = 1 A.s care reprezinta in S.I. un coulomb (C). Deci 1 coulomb reprezinta cantitatea de electricitate care trece printr-un circuit in timp de 1 secunda si produce un curent constanta de 1 amper. Coulombul este unitatea de masura a sarcinii electrice sau a cantitatii de electricitate. 4. Rezistenta electrica Electronii se deplaseaza in unele corpuri mai greu iar in altele mai usor. De asemenea ei se scurg mai usor prin fire groase si scurte decat prin fire subtiri si lungi. Rezistenta pe care o intampina electronii atunci cand trec printr-un conductor se numeste rezistenta electrica. Din cele aratate mai sus rezulta ca rezistenta electrica a unui conductor depinde de materialul conductorului (rezistenta specifica q) si este proportionala cu lungimea conductorului (l) si invers proportionala cu sectiunea conductorului (s). Rezistenta specifica a unui conductor este rezistenta opusa de 1 m de conductor cu sectiunea de 1 mm². Formula de calcul este deci: R = ρ _l_ s Unitatea de masura pentru rezistenta electrica se numeste ohm, iar simbolul este Ω.
Ohmul reprezinta rezistenta electrica dintre doua puncte ale unui conductor cand la tensiunea electrica de 1 V, aplicata intre cele doua puncte ale conductorului, prin acesta trece un curent de 1 A, daca acest conductor nu este sediul unor tensiuni electromotoare. Daca ne referim la un conductor de lungime egala cu unitatea (1 m) si cu sectiunea egala cu unitatea de suprafata (1 m²), atunci rezistenta lui, numita rezistivitate, are valoarea de 1 Ω. Simbolul international al rezistivitatii este Ω.m. Inversul rezistivitatii se numeste conductivitate electrica ( _1_ ), iar inversul rezistentei – conductanta ( _1_ ). ρ R Rezistenta conductorului poate sa creasca o data cu ridicarea temperaturii, cum este cazul la metale, sa scada, cum se intalmpla la electroliti sau la carbuni, ori sa ramana practic constanta, cum este cazul la aliaje ca manganin si constantan. In tabela 12 se dau rezistentele specifice si coeficientii de temperatura ai unor metale si aliaje: Tabela 12 Rezistentele specifice si coeficientii de temperatura ai unor metale Materialul - Aluminiu - Alama - Argentan - Argint - Carbon - Constantan - Crom - Cupru - Cromnichel - Manganin - Nicrom - Nichelin - Oteluri - Platina - Plumb - Wolfram
Rezistenta specifica in mm3 m la 20ºC 0,028 0,04 0,47 0,016 7,25 0,49 1,3 0,0175 1,10 0,42 0,98 0,42 0,13 – 0,20 0,107 0,221 0,0612
Coeficientul termic intre 0 si 100ºC 0,0042 0,002 0,0004 0,0040 0,0003 0,00004 0,0004 0,004 0,00015 0,00006 0,0003 0,0002 0,00625 0,0039 0,00411 0,00464
Prin corpul omenesc poate sa treaca un curent electric. Valoarea rezistentei corpului omenesc este mare, de mii de ohmi (1000 – 10000). Totusi, exista pericol de moarte pentru cel ce lucreaza in instalatii electrice, chiar si de joasa tensiune. Rezistenta corpului omenesc este alcatuita din: rezistenta organelor interne; rezistenta pielii; rezistenta imbracamintii; rezistenta de contact. Rezistenta organelor interne este aproape constanta si relativ mica; celelalte pot varia intre limite foarte largi. Daca pielea este umeda sau imbracamintea jilava, contactul intre corp si firul conductor este bun si rezistenta corpului va fi mica. 5. Legile curentului electric a) Legea lui Ohm. Experienta arata ca pentru un conductor dat, exista o relatie de proportionalitate directa, intre diferenta de potential U, aplicata la extremitatile lui si intensitatea I a curentului. Deci, U=R∙I unde factorul de proportionalitate R, reprezinta ceea ce numim rezistenta electrica a conductorului ales. Aceasta relatie fundamentala pentru curentii de conductie se numeste legea lui Ohm. Din cele enuntate rezulta ca raportul dintre diferenta de potential (tensiune) aplicata la capetele unui conductor si curentul care-l parcurge este o marime constanta, adica, R=U I sau, I=U R I este intensitatea curentului in amperi; U – tensiunea in volti; R – rezistenta in ohmi.
Legea lui Ohm poate fi extinsa la un circuit intreg, care sa cuprinda si un generator cu forta electromotoare E si rezistenta exterioara R. Forta electromotoare produsa in generator se utilizeaza pentru miscarea sarcinilor electrice pe circuitul interior si exterior. In acest caz E = u + U. Aplicand legea lui Ohm pentru rezistenta r a circuitului interior si pentru rezistenta R a circuitului exterior, rezulta: u = r I; U = RI E = r I + RI = (r + R) I,
de unde I = __E__ R+r Deci intensitatea curentului este egala cu raportul dintre forta electromotoare a generatorului si rezistenta totala a circuitului. b) Legile lui Kirchhoff. In practica se intalnesc si circuite electrice mai complicate, cuprinzand mai multe ramificatii, deci mai multi curenti. In acest caz, in locul legii lui Ohm se aplica legile lui Kirchhoff, care constituie o generalizare a legii lui Ohm pentru circuite complexe. Legea I a lui Kirchhoff. Suma curentilor care intra intr-un nod este egala cu suma curentilor care ies din nod. I = i1 + i2 + i3 Daca se considera ca pozitivi curentii care se apropie de nod si ca negativi cei ce se departeaza se poate scrie ca: I1 – I2 + I3 – I4 – I5 + I6 = 0, adica ΣI=0 Legea a II – a a lui Kirchhoff. Presupunem un ochi al retelei de conductori, cu diferite legaturi exterioare, parcurs de curenti electrici, in care ar exista si un generator fara rezistenta interioara, la bornele caruia se produce forta electromotoare E. Consideram pozitivi toti curentii care parcurg laturile conturului in sensul acelor unui ceasornic. Daca parcurgem intregul contur de la borna a generatorului pana la cealalta borna trebuie ca suma algebrica a caderilor de potential sa fie egala cu forta electromotoare E, pentru ca altfel nu ar putea sa existe un regim stationar al curentului. Avand in vedere sensul curentilor se poate scrie ca: E = R1 ∙ I1 – R2 ∙ I2 – R3 ∙ I3 + R4 ∙ I4 + R5 ∙ I5 deci pentru un numar mai mare de laturi, Σ RI = E Aceasta relatie arata ca indiferent de legaturile exterioare, intr-un ochi de retea, care contine o forta electromotoare, suma algebrica a caderilor de potential pe conturul parcurs in sensul conventional pozitiv, este egala cu forta electromotoare respectiva. Legea rezistentelor. Intr-un circuit electric, cand exista mai multe rezistente, acestea pot fi legate in trei feluri: in serie, in paralel (derivatie) si mixt. Legarea rezistentelor in serie. Legarea in serie a rezistentelor inseamna legarea lor una dupa alta. In acest caz, intensitatea curentului este aceeasi in toate rezistentele. Tensiunea va fi egala cu suma caderilor de potential, in lungul rezistentelor succesive. U = R1 I + R2 I + R3 I U = I (R1 + R2 + R3) si fiindca U=RI R = R1 + R2 + R3 Legarea rezistentelor in paralel (derivatie). Prin legarea rezistentelor in paralel, adica una langa alta, extremitatilor lor fiind legate in aceleasi puncte, rezistenta totala este mai mica decat rezistenta fiecareia dintre ele si anume inversul rezistentei totale este egal cu suma inverselor rezistentelor partiale, adica: 1=1+1+1+... R R1 R2 R3 Legarea rezistentelor in montaj mixt. Un montaj mixt este format din rezistente legate in serie si in paralel.
Rezistentele R1 si R4 sunt legate in serie, iar rezistentele R2 si R3 sunt legate in paralel. Notand cu R rezistenta echivalenta a celor doua rezistente montate in paralel si cu R1 rezistenta totala a circuitului se obtine: Rs = R1 + R + R4 Stim ca, R = R2 x R3 R2 + R3 deci, R t = R1 + R2 x R3 + R4 R2 + R3 c) Legea lui Joule-Lenz. Orice rezistenta strabatura de curent se incalzeste. Un conductor subtire strabatut de un curent de cativa amperi se incalzeste pana la rosu si apoi se topeste daca curentul este prea mare. Legea lui Joule-Lenz defineste efectele termice ale curentilor electrici si se enunta astfel: Cantitatea de caldura degajata intr-un conductor este direct proportionala cu rezistenta conductorului, cu durata trecerii curentulu si cu patratul intensitatii curentului. Adica: Q = R ∙ I² ∙ t jouli, iar in calorii: Q = 0,24 ∙ R ∙ I² ∙ t Inlocuind RI = U obtinem: Q = 0,24 ∙ U ∙ I ∙ t Cunoscand ca energia electrica consumata la o rezistenta W = U ∙ I ∙ t in jouli, atunci: Q = 0,24 W, adica cantitatea de caldura (energia termica) este egala cu coeficientul termic 0,24 inmultit cu energia electrica in jouli. Energia electrica din circuit s-a transformat in energie termica, care se transmite in mediul inconjurator. 6. Energia electrica si puterea Tensiunea electrica produce miscarea electronilor, deci deplasarea unei cantitati de electricitate in conductorii electrici. Lucrul mecanic efectuat de o cantitate de electricitate este proportional cu tensiunea in volti si cantitatea de electricitate Q respectiva in coulombi. Notand lucrul mecanic cu W se poate scrie ca: W = UQ, dar Q = I.t si deci, W = U.I.t. Puterea electrica este lucrul efectuat de curentul electric intr-o secunda si se masoara in wati. adica P = W = U.I. wati t sau P = R.I² = U² watt R Energie inseamna putere in timp sau putere inmultita cu timpul. Adica W=P∙t Tinand seama de relatia de mai sus se poate scrie cele trei forme ale puterii electrice: W = U.I.t. in Ws sau jouli W = R.I².t. in Ws sau jouli W = U² t in Ws sau jouli R In practica industriala se foloseste, ca unitate de masura pentru energia electrica kilowattora (kWh). 1 kWh = 1000 W x 3600 s = 3.600.000 Ws (jouli)
Intre kW si CP se poate stabili urmatoarea relatie: 1 CP = 75 kgm = 75 ∙ 9,81 J = 736 W s s sau 1 CP = 0,736 kW. 7. Efectele curentului electric Efectul caloric. Curentul electric incalzeste conductorii prin care circula. Pe baza acestui efect al curentului electric functioneaza resoul, plita electrica, ciocanul electric de lipit, becul electric, cuptorul electric, se realizeaza sudura electrica etc. In principiu, trecerea unui curent prin orice metal bun conducator de electricitate are drept o anumita incalzire a acestuia. Pentru ca aceasta incalzire sa nu prezinte un pericol pentru conducatoare, aparate electrice si materiale combustibile din apropiere, instalatiile electrice se dimensioneaza astfel incat incalzirea lor sa fie mentinuta in limite nepericuloase. Totusi, in practica apar situatii cand din diferite cauze, caldura degajata, in general, de anumite puncte ale instalatiei electrice prezinta pericol de aprindere a materialelor combustibile. Practia ne-a aratat ca excesul de caldura apare in punctele de rezistenta marita ca, de exemplu, la conexiunile facute necorespunzator (prin suruburi, borne etc.). Rezistenta de trecere in punctele de contact depinde in mare masura de apasarea in aceste puncte. Punctele de conexiune se pot incalzi simtitor din cauza slabirii contactelor, vibratiilor, slabirii arcurilor de apasare etc. La aprecierea pericolului de incendiu prezentat de o instalatie electrica, punctele critice (rezistentele de trecere) trebuie cercetate cu o deosebita atentie, deoarece o rezistenta de cativa miliohmi este capabila sa transforme caldura in puteri de multi wati. Pericolul de incendiu poate sa apara chiar si acolo unde conductoarele electrice sunt desizolate sau unde repararea unei defectiuni s-a facut in mod necorespunzator. Faptul ca incalzirea creste proportional cu patratul intensitatii, mareste si pericolul de incendiu pentru ca o data cu marirea randamentului diferitelor aparate electrice si cu introducerea prizelor de 10 amperi in locul celor de 6 amperi, intregul dispozitiv de conexiune se incalzeste intr-o masura considerabila. Incalzirea conductoarelor trebuie redusa la minimum posibil, cand este vorba de motoare electrice, de instalatii pentru producerea si transportul energiei electrice sau de distribuirea ei in locuinte. Pentru conductoare electrice sau sarmele de bobinaj, va trebui sa se recurga la grosimi cu atat mai mari, cu cat curentul care le parcurge este mai intens. Oricare ar fi situatia, temperatura conductorului rezulta dintr-un echilibru dinamic, intre cantitatea de caldura produsa prin efectul Joule-Lenz si caldura cedata mediului inconjurator. Aplicatii ale efectului caloric al curentului electric. Pe baza efectului caloric al curentului electric s-a trecut atat in industrie cat si pentru nevoile gospodaresti la construirea si folosirea diferitelor agregate si aparate care constituie marturii ale progresului si civilizatiei secolului in care traim. In industrie se folosesc cuptoare electrice pentru topirea pieselor, fabricarea otelurilor speciale, calirea otelului, topirea etc. Cuptoarele electrice sunt de trei tipuri: cuptoare cu rezistenta, cuptoare cu arc si cuptoare cu inductie. Cuptorul cu rezistenta este format dintr-un sir de bare verticale semiconductoare, asezate in niste canale adanci. Aceste bare constituie rezistentele care se incalzesc prin trecerea curentului, dupa legea lui Joule-Lenz. Caldura se imprastie de aici in interiorul cuptorului. La cuptorul cu arc voltaic, arcul se produce intre doi electrozi de carbune, supusi la tensiune si asezati la o anumita distanta unul de altul, intr-un cuptor captusit cu caramizi refractare si alti izolanti termici. Temperatura obtinuta este de circa 4000ºC. Cuptorul cu arc serveste la prepararea carbidului, a carborundului, a oxizilor de azot etc. Sudarea electrica. Pentru imbinarea pieselor metalice se utilizeaza cu bune rezultate sudarea prin rezistenta de contact si sudarea prin arc. Sudarea electrica prin rezistenta de contact se realizeaza lipirea pieselor de sudat prin trecerea unui curent electric foarte puternic (5000 – 25000 amperi) prin piesele apropiate puse in contact in punctul sudat. In acest punct de contact cele doua piese prezinta din punct de vedere electric, o rezistenta marita la trecerea curentului. Piesele se vor topi in acest punct datorita caldurii dezvoltate de curentul electric (efect Joule-Lenz), ce trece prin rezistenta de contact. Daca portiunile topite sunt apasate una de alta, se obtine imbinarea dorita. La sudarea electrica cu ajutorul arcului voltaic se foloseste la locul de sudat un adaos de metal topit. Metalul de adaugat se prezinta sub forma unei vergele (electrod de sudare), care se topeste datorita arcului voltaic ce se produce intre vergeaua care constituie un electrod si piesa de sudat, care constituie celalalt electrod. Cei doi electrozi sunt legati la bornele unui transformator electric de sudura. Aparate de uz casnic. Dintre aceste aparate se citeaza: fierbatorul electric, fierul de calcat, radiatorul electric, etc. Fierbatorul electric este un aparat utilizat in menaj, cu ajutorul caruia se poate incalzi apa sau mancarea. El se compune dintr-o placa de material refractar pe care se monteaza un fir lung si subtire (rezistenta electrica) rasucit in spirala, pentru a ocupa un spatiu cat mai mic. La trecerea curentului prin rezistenta aceasta se incalzeste. Materialul refractar acumuleaza o parte din caldura rezistentei si o pastreaza pentru a o reda atunci cand nu mai este incalzita. Fierul de calcat. Este format dintr-un bloc metalic, pe care se asaza un strat izolant de mica. Deasupra se asaza rezistenta ale carei capete se leaga la contactele electrice. La trecerea curentului electric prin rezistenta, aceasta se incalzeste si prin intermediul izolantului, incalzeste masa metalica, care inmagazineaza caldura primita.
Iluminatul electric. Iluminatul prin incandescenta unui filament de tungsten, volfram etc., este cel mai raspandit.. filamentul este montat in interiorul unui balon de sticla umplut cu gaz inert (argon, cripton etc.) prin trecerea curentului electric prin filamentm, acesta se incalzeste, devinde incandescent si emite raze luminoase. In afara lampilor incandescente o mare raspandire o au lampile cu descarcari electrice (fluorescente). Efectul chimic al curentului electric. La trecerea curentului electric printr-un lichid conductor (solutie de sare, acid sau baza) numit electrolit, se depun substante la electrozi si se produc reactii chimice. Electrodul legat la polul pozitiv al generatorului de electricitate se numeste anod, iar celalalt, legat la polul negativ, catod. Ca exemple de descompunere electrolitica se poate da: descompunerea apei acidulate cu acid sulfuric (in acest caz se degaja hidrogen in volum de doua ori mai mare decat oxigenul, care se degaja la anod); descompunerea solutiei apoase de sulfat de cupru (degajare de oxigen la anod si depunere de cupru la catod) si electroliza clorurii de sodiu topite (la anod se degaja clorul iar la catod se depune sodilul metalic). Produsele de descompunere electrolitica pot sa apara fie direct, fie prin reactii secundare. Ele se formeaza numai pe suprafata electrozilor. Efectul magnetic. Acest efect a fost pus in evidenta de Oersted si consta in aparitia unui camp magnetic in jurul unui conductor parcurs de un curent electric, fapt ce poate fi dovedit cu ajutorul unui ac magnetic care poate fi deviat in pozitia N – S, atunci cand in vecinatatea sa se aduce un curent electric. Efectul magnetic al curentului electric a capatat numeroase utilizari, ca de exemplu, la fabricarea magnetilor, electromagnetilor, in terapie, la construirea soneriilor, la construirea de galvanometre etc. 8. Pericolul de incendiu prezentat de curenti electrici Daca la conductoarele electrice neizolate o buna parte din caldura se imprastie in atmosfera evitand astfel topirea acestora, la conductoarele cu izolatie, racirea se face greu, invelisul protector se deterioreaza si de mult ori se aprinde. In instalatiile executate corect conductoarele au o sectiune suficienta pentru ca incalzirea lor sa nu devina periculoasa. In schimb apar o serie de fenomene care duc la supraincarcare a circuitelor si implicit la supraincalziri. Din cauza supraincalzirii conductoarelor, invelisul de protectie crapa, se deterioreaza, favorizand producerea scurtcircuitelor. Cele mai frecvente supraincalziri ale circuitelor electrice au loc datorita existentei unor rezistente de trecere si folosirii sigurantelor supradimensionate. Orice contact (imbinare) intre conductoare, fix sau mobil, creeaza o anumita rezistenta de trecere. In aceste constacte are loc o cadere de tensiune si o anumita reducere de putere care se transforma in caldura. O imbinare prost executata face ca rezistenta de trecere sa fie foarte mare, locul de imbinare sa se incalzeasca mult. Defectul de izolatie prezinta pericol pentru o instalatie electrica. Curentul care se scurge prin portiuni desizolate poate varia de la 1 mA pana la valoarea curentului de scurtcircuitare a retelei, adica pana la mii de amperi, in functie de marimea rezistentei de trecere in locul in care izolatia este deteriorata datorita imbatranirii, patruderii umiditatii, defectelor mecanice sau supraincalzirii din afara. In principiu, locul in care a aparut un defect de izolatie se comporta la fel cu un aparat electric de incalzire, conectat in acel punct, capabil sa transforme energia electrica in caldura. Tinand seama de suprafata redusa a locurilor cu defectiuni de izolatie, incalzirea care se produce in mod continuu depaseste temperatura de aprindere a materialelor combustibile din vecinatatea conductorului. Din fericire aceste temperaturi ridicate nu actioneaza in momentul aparitiei defectului, deoarece este necesar sa se incalzeasca mai intai intreaga masa a portiunii cu defect, ceea ce inseamna ca ridicarea temperaturii este intarziata de inertia termica a materialului. Din aceasta cauza, in astfel de cazuri, temperatura produsa este determinata intr-o masura mai mica de suprafata care cedeaza caldura si de consumul de putere in locul cu defect de izolatie si intr-o masura mai mare de capacitatea termica a acestui loc, impreuna cu cantitatea de caldura degajata. Supraincalzirile se mai produc si datorita supratensiunilor. Daca o instalatie electrica este supusa accidental la o tensiune superioara celei normale, pentru care a fost proiectata, se va produce o degajare de caldura cu atat mai mare cu cat supratensiunea este mai mare (cantitatea de cladura produsa fiind proportionala cu tensiunea). Supratensiunile se produc din cauza trasnetelor, a electricitatii atmosferice, contactelor accidentale intre circuite de inalta tensiune si joasa tensiune, intreruperii sau inchiderii unui circuit de inalta tensiune si scurtcircuitelor. a) Scurtcircuitul. Scurtcircuitul este un deranjament frecvent intalnit in instalatiile electrice, care se produce ori de cate ori doua conductoare, intre care exsita o diferenta de potential, vin in contact. Curentul care se formeaza se numeste curent de scurtcircuit, valoarea sa putand depasi cu mult valorile admisibile. Curentii de scurtcircuit pot provoca deranjamente instalatiilor electrice si chiar distrugerea lor. Principalele cauze ale scurtcircuitelor sunt: - pentru instalatii: strapungerea izolatiilor, de cele mai multe ori datorita imbatranirii, deteriorarii si supraincarcarii instalatiei; manevrele gresite ale aparatelor de conectare sau ale celor consumatoare de curent; legaturile executate necorespunzator; - pentru cabluri aeriene: vantul; arborii; cauze accidentale (aterizarea fortata a avioanelor, trasnet, ridicarea zmeelor etc.). Scurtcircuitul se poate produce intre un conductor de faza si cel neutru, deci poate fi monofazat, bifazat si trifazat. Curentul de scurtcircuit este asa de mare incat poate sa inroseasca un conductor sau sa-l topeasca si daca in apropiere exista materiale combustibile le poate aprinde. Intensitatea de scurtcircuit mai poarta numele de intensitate de soc. Initial curentul electric este normal, ca dupa aparitia scurtcircuitului sa se produca o crestere rapida a curentului. Dupa curentul de soc, care dureaza un timp foarte scurt, se stabileste un curent de scurtcircuit permanent si de durata.
De la curentul de soc pana la stabilirea curentului de durata are loc o perioada de tranzitie, un curent de scurtcircuit tranzitoriu. Aceasta perioada de tranzitie dureaza 3 – 6 s. b) Arcul electric. Arcul electric este o descarcare disruptiva, continua, intre doi electrozi sub tensiune insotita de efecte luminoase si caloricer cu temperaturi care pot sa ajunga la 3500 – 4000ºC. Ca si scanteile electrice, arcele electrice se produc la inchiderea si deschiderea circuitelor electrice cu ajutorul intrerupatoarelor si separatoarelor precum si in cazul scurtcircuitelor. Un arc electric se poate produce si intretine mai ales in circuitele de inalta tensiune, dar cateodata apare si la cele de joasa tensiune. Intotdeauna insa el apare dupa descarcare unei scantei care formeaza un traseu conductor. Atat arcul electric cat si scanteia electrica constituie cauze de incendii si initiatori ai exploziilor. Arcul electric dureaza mai mult timp decat o scanteie electrica si are capacitate termica incomparabil mai ridicata decat aceasta, motiv pentru care prezinta un mare pericol de incendiu. Arcul electric poate sa aprinda nu numai amestecuri explozive sau inflamabile ci si materiale combustibile din apropierea locului unde s-a produs. El topeste si vaporizeaza conductoarele metalice, distruge si carbonizeaza pana si izolatorii ceramici sau alte materiale similare. 9. Aparate de protectie a) Sigurante electrice. Depasirea intensitatii admisibile a curentului intr-un conductor de o anumita sectiune duce la supraincalziri. Pentru a nu se produce incalziri periculoase trebuie sa existe o perfecta corelare intre sectiunile conductoarelor si intensitatile admisibile. Aceasta corelare se arata in tabela 13. Tabela 13 Corelarea intre sectiunile conductoarelor si intensitatile admisibile Sectiunea in mm3 1 1,5 2,5 4 6 10 16
Intensitatea admisibila in A 10 15 20 25 31 43 25
Sectiunea in mm3 25 35 50 70 95 120
Intensitatea admisibila in A 100 125 160 200 240 280
Nedepasirea valorilor mentionate in tabela 13 asigura o functionare normala a instalatiei. De multe ori se conecteaza la retea lampi suplimentare, radiatoare, receptori care nu au fost prevazuti la proiectarea instalatiei. In acest caz consumul de curent se mareste si intensitatea admisibila este depasita, apar deci suprasarcini. Impiedicarea cresterii intensitatii curentului electric peste valoarea admisibila se realizeaza prin dispozitive speciale numite sigurante, care constituie pe drept cuvant aparatorii instalatiei. In cazul scurtcircuitelor, intensitatea curentului depaseste cu mult intensitatea admisibila, conductoarele se incalzesc puternic si numai siguranta intrerupe curentul si protejeaza instalatia. Cele mai des intrebuintate sigurante sunt sigurantele fuzibile si sigurantele automate. O siguranta fuzibila este caracterizata printr-un curent nominal indicat pe ea, care reprezinta pe cel mai mare dintre curentii nominali ai fuzibilelor destinate acesteia. Curentul nominal al fuzibilului In, indicat de fabrica constructoare, este curentul la care fuzibilul trebuie sa functioneze timp indelungat. El se determina prin calibrare in baza rezultatelor obtinute prin incercari. Pe timpul functionarii fuzibilului in conditii normale exista un echilibru termic; intr-o parte cantitatea de caldura care se degaja in fuzibil la trecerea curentului I, intr-un interval de timp t si in cealalta parte cantitatea de caldura cedata de catre fuzibil mediului ambiant si contactelor in acelasi timp t, plus caldura cheltuita pentru cresterea temperaturii fuzibilului si caldura latenta de topire. In conditii normale, caldura se produce la trecerea curentului electric prin fuzibil se disperseaza in mediul ambiant prin radiatie, convectie si conductie. In cazul cand caldura care se produce in fuzibil este mai mare decat cea pe care acesta o degaja, diferenta de caldura provoaca cresterea temperaturii fuzibilului pana la punctul de echilibru termic, corespunzator noii temperaturi sau pana la punctul de topire a fuzibilului. Cresterea temperaturii fuzibilului parcurs de un curent electric depinde de sectiunea sa. Cantitatea de caldura consumata pentru cresterea temperaturii fuzibilului este proportionala cu masa (greutatea fuzibilului), cu diferenta dintre temperatura sa la sfarsitul si inceputul functionarii si cu caldura specifica. Incalzirea sigurantelor se produce mai repede ca a conductoarelor pentru ca au o masa mai mica decat a acestora. Inseamna ca sigurantele intrerup circuitul cu mult inainte de a se ajunge la supraincalzirea periculoasa a conductoarelor. Conditiile de topire pentru sigurantele unipolare cu maner sunt date in tabela 14. Tabela 14 Conditiile de topire a sigurantelor unipolare
Tipul sigurantei Durata de topire Nu se topeste intr-o ora la sarcina de ...... Se topeste intr-o ora la sarcina de .....
Normal sau fara intarziere
Cu inertie
Cu intarziere
1,3 In
1,6 In
3 In
1,6 In
1,9 In
3,5 In
In principiu, sigurantele fuzibile se caracterizeaza printr-o functionare foarte rapida, in cateva miimi de secunda. In practica sunt situatii, de exemplu, la aprinderea lampilor cu filament de putere mare sau la pornirea motoarelor electrice cu rotorul in scurtcircuit, cand apar supraintensitati care nu pot fi evitate si care fiind de scurta durata nu prezinta pericol. In asemenea cazuri este indicat ca firul fuzibil sa suporte supraintensitatile trecatoare. In acest scop se folosesc sigurante fuzibile cu declansare intarziata care suporta intr-un timp relativ lung (secunde sau minute) supraintensitati de cateva ori mai mari decat curentul nominal. Sigurantele fuzibile utilizate in instalatiile pana la 1000 V, in tara noastra, se pot imparti in urmatoarele tipuri: deschise; tubulare deschise; tubulare inchise fara material de umplutura; tubulare inchise cu material de umplutura. Sigurantele fuzibile deschise sunt constituite din lamele de zinc, cu un singur loc de topire. Ele se construiesc pentru curenti nominali de 100 la 500 A. Sigurantele fuzibile tubulare deschise sunt prevazute cu fuzibile pentru curenti de 60, 80, 100, 125, 160 si 200 A. Capacitatea de intrerupere a acestor sigurante este mai mare decat a celor deschise, insa folosirea lor este limitata pentru motivul ca tubul de portelan se poate sparge din cauza socului provocat de arcul electric, care se produce in interior. Pentru limitarea efectelor arcului electric intr-un spatiu mai mic se construiesc sigurante tubulare inchise, in trei variante: pentru curentul nominal de 60 A cand se utilizeaza fuzibile de 30 si 60 A; pentru curentul nominal de 350 A cand pot fi utilizate fuzibile de 80, 100, 125, 160, 200, 225, 260, 300, 350 A; pentru curentul nominal de 600 A pot fi folosite fuzibile de 450, 500 si 600 A. Fuzibilul pentru curentul de 30 A este dintr-un fir de cupru cu diametrul de 0,8 mm. Din categoria sigurantelor tubulare inchise cu material de umplutura fac parte sigurantele unipolare cu filet, care au o mare raspandire la noi in tara, ele fiind folosite la instalatiile de iluminat si forta, pentru curenti nominali intre 6 si 100 A. Sigurantele fuzibile cu filet se construiesc in trei variante: prima varianta pentru 6, 10 si 16 A; a doua varianta pentru 20, 25, 36, 45 si 60 A, iar ultima pentru 80 – 100 A, la tensiunea nominala de 500 V. Siguranta fuzibila cu filet este formata din soclu, patron fuzibil, capacul filetat si piese de contact. Dupa domeniul de utilizare, soclurile de siguranta sunt de trei tipuri: de tip LS pentru legaturi in spate si se monteaza pe panouri izolate; de tip LF pentru legaturi in fata, montandu-se pe panouri izolante sau din tabla; de tip LF destinate a fi utilizate in instalatiile industriale, montate in destinate a fi utilizate in instalatiile industriale, montate in cutii, tablouri capsulate etc. Patronul fuzibil este format dintr-un corp cilindric din portelan umplut cu nisip fin de cuart. In cele doua capete metalice ale sale se fixeaza firul fuzibil de argint ce trece prin masa de nisip care are rolul de a absorbi o mare cantitate de caldura. Patronul este prevazut la capatul din fata cu un indicator colorat (pentru fiecare intensitate nominala cate o culoare), care indica topirea rapida a firului fuzibil. Piesa de contact este formata dintr-un inel de portelan prevazut la mijloc cu un surub de alama. Ea face contactul cu unul dintre capacele patronului fuzibil si se insurubeaza in contactul din fundul soclului. Piesa de contact impiedica introducerea in soclu a unor patroane fuzibile care au o intensitate mai mare decat cea corespunzatoare circuitului protejat. Capacul filetat foloseste la fixarea patronului in soclu. Piesele izolante ale capacului se executa din material ceramic; piesele conductoare (o bucsa filetata cu patru aripioare) se fac din alama, protejate cu un strat de metal anticorosiv. Cauzele cele mai frecvente care duc la topirea firului fuzibil al sigurantei sunt: - defectarea unor prize, dulii sau intrerupatoare, in instalatiile electrice interioare; - conectarea la prize a unor aparate cu defecte interne sau cu cordoane deteriorate; - supraincarcarea instalatiei electrice cu consumatori peste puterea pentru care a fost construita. Sigurantele automate. In scopul maririi sigurantei in exploatarea unei instalatii electrice interioare se folosesc sigurante automate. Prin sistemul de functionare a acestor sigurante, curentul se intrerupe automat ori de cate ori intensitatea curentului depaseste limita pentru care siguranta a fost dimensionata. Aceste sigurante sunt prevazute cu relee termice si electromagnetice care actioneaza independent. Din punct de vedere al actionarii se deosebesc doua feluri de sigurante automate: sigurante cu buton si sigurante cu parghie. b) Intrerupatoare automate. Pentru protectia motoarelor electrice, sigurantele fuzibile prezinta o serie de neajunsuri. Asa de exemplu, fuzibilul topindu-se la un curent de 1,3 – 1,5 ori valoarea nominala, nu se mai poate asigura o buna protectie ca in cazul supraincarcarilor mici si ca urmare motorul functioneaza timp indelungat cu o astfel de sarcina, care duce la distrugerea izolatiei. Mai sunt si alte neajunsuri ale sigurantelor ca posibilitatea topirii in timpul perioadei de pornire, imposibilitatea protejarii motorului in cazul cand alimentarea lui ramane in doua faze etc. Protectia sigura si corespunzatoare a motoarelor electrice in toate perioadele de functionare, adica la pornire, in mersi si in sarcina normala sau in suprasarcina se obtine prin folosirea intrerupatoarelor automate. Intrerupatoarele automate sunt aparate care in afara de faptul ca inchid si intrerup voit circuitul comandant au si functia de intrerupere automata a acestuia, cu ajutorul unui releu de protectie.
In principiu un intrerupator automat poate indeplini mai multe functiuni de protectie: protectia contra curentilor de scurtcircuit; protectia contra caderii tensiunii; protectia contra suprasarcinilor. Dupa mediul de stingere a arcului se deosebesc intrerupatoare in aer si intrerupatoare in ulei. Intrerupatoarele automate in aer sunt cele mai raspandite, avand o constructie relativ simpla. Ele se exploateaza mai usor si se construiesc pentru un curent a carui intensitate nominala este de 6 – 3000 A si o tensiune de 500 V. Pentru curenti sub 100 A ele se construiesc in carcase compacte si se pot monta separat sau pe tablourile de distributie. Intrerupatoarele pentru curenti mai mari au o constructie mai complicata, indeplinind si functii mai complexe. La noi in tara se fabrica intrerupatoare automate in aer cu actionare si retinere prin electromagnet, pentru curenti nominali pana la 100 A sub denumirea DITA (DITA – 10 A, DITA – 25 A, DITA – 60 A, DITA 100 – A). De asemenea, s-au fabricat si intrerupatoare cu actionare manuala si cu o retinere prin zavor, pentru curenti nominali de 350 A. Intrerupatoarele automate in aer DITA, cu carcasa din fonta, se pot monta in incaperi umede cu vapori corosivi si cu praf. Cele deschise se pot monta numai in incaperi uscate si fara praf. Intrerupatoarele automate in ulei (DITU) cu actionare si cu retinere prin electromagnet au contactele principale si secundare precum si electromagnetul scufundate in ulei, iar releele termice si electromagnetice, dispozitivele de semnalizare si bornele in aer. Uleiul foloseste drept mediu de limitare a arcului electric si de stingere a acestuia; de asemenea diminueaza socurile mecanice, asigura o limitare a fenomenului de vibratie a contactelor. Datorita faptului ca contactele principale se gasesc in ulei, intreruperea circuitului si ruperea arcului se produce intr-un mediu separat de cel exterior, dand astfel posibilitatea ca asemenea intrerupatoare sa se poata folosi in incaperi umede, incaperi cu praf, cu vapori corosivi ca si in incaperi care prezinta pericol de incendiu si de explozie. La noi in tara se fabrica intrerupatoare in ulei pentru curenti nominali de 25 A (DITU – 25 A) si 100 A (DITU – 100 A). Pentru o perfecta functionare, intrerupatoarele trebuie bine intretinute si verificate periodic. Se curata de praf, de impuritati, se verifica starea contactelor si reglajul releelor. La intrerupatoarele in ulei se verifica periodic si nivelul uleiului, in caz de innegrire se schimba. Uleiul se schimba si in urma unui scurtcircuit.
10. Corpuri de iluminat pentru diferite medii Corpurile de iluminat, de constructie speciala sunt destinate a fi utilizate in anumite conditii de exploatare, in sectiile de productie cu pericol de explozie si incendiu. Pentru asigurarea acestei protectii se construiesc si se utilizeaza, in mod frecvent, urmatoarele corpuri de iluminat: semiermetice, protejate impotriva prafului si umezelii; ermetice; antiexplozive (antigrizutoase); corpuri de iluminat monobloc. Corpurile de iluminat semiermetice se executa din portelan, conductele electrice fiind introduse prin doua gauri care se inchid prin turnarea unei mase izolante. Abajurul fixat de corp, nu poate veni in contact cu conductele sub tensiune. Ele se intrebuinteaza in incaperi umede si foarte umede precum si in cladiri industriale in care se lucreaza cu gaze nocive. Corpurile de iluminat protejate impotriva prafului si umezelii au o constructie mai complicata. Glubul este fixat de corpul propriu-zis, iar gaurile prin care se introduc conductele electrice sunt inchise etans. Se executa pentru lampi de cel mult 200 wati. Aceste corpuri de iluminat se intrebuinteaza in incaperi cu cantitati mari de praf, in special in cele cu pericol de incendiu si cu vapori si gaze nocive. Corpurile de iluminat ermetice au goluri prin care se introduc conductele electrice inchise etans cu garnituri de cauciuc. Globul de sticla, protejat cu o plasa metalicaz, este bine fixat. Domeniul de utilizare cuprinde numai incaperile cu vapori si gaze toxice. Corpurile de iluminat antiexplozive exclude posibilitatea patrunderii gazelor si vaporilor inflamabili in interior. Cand suprapresiunea scade, un dispozitiv special de tip membrana intrerupe functionarea lampii. Datorita modului de functionare se asigura in permanenta controlul etanseitatii, in cazul unor deteriorari mecanice. Un alt aparat de acest tip este acela cu dispozitiv de blocare prin resort. In cazul deteriorarii corpului de iluminat lampa se intrerupe. Al doilea tip de aparat este cel cu rezistenta mecanica mare. Corpul este construit de asa maniera incat in cazul patrunderii unui mediu exploziv in interior si al producerii unei explozii, ca urmare a unei scantei la dulie, sa poata rezista la presiunea unei explozii (circa 10 at). Iesirea produselor exploziei se face prin locurile de imbinare a flanselor. Oricare ar fi tipul de corp de iluminat antiexploziv, trebuie ca temperatura sa exterioara sa nu depaseasca 80ºC. Corpul de iluminat monobloc este destinat iluminatului de siguranta a cailor si usilor de evacuare a salilor de spectacole in cazul intreruperii iluminatului normal. 11. Curentul electric in electroliti a) Electroliza. Curentul electric circula atat prin metale cat si prin lichide. Asa cum s-a mai aratat, curentul electric se deplaseaza in metale datorita electronilor liberi, care sunt pusi in miscare prin aplicarea unei tensiuni electrice intre capetele conductorului. La metale transportul de electricitate nu produce modificari chimice pe conductor.
Conductibilitatea metalelor se numeste conductibilitate electronica pentru ca transportul de electricitate se datoreaza miscarii electronilor. Conductorii metalici sunt considerati conductori de clasa I. Prin lichide (saruri metalice topite, solutii saline, bazice sau acide) trecerea curentului electric se produce cu totul altfel. Ea constituie o miscare a ambelor feluri de sarcini electrice insotite de un transport de substanta. Faraday a constatat pentru prima data ca la locurile de intrare si iesire a curentului (electrozi) au loc fenomene de descompunere chimica (procese chimice), fenomenul respectiv fiind numit electroliza. Substanta prin care trece se numeste electrolit, iar conductorii metalici, electrozi. Trecerea curentilor prin electrolit se face cu ajutorul ionilor, care sunt particule incarcate cu electricitate; particulele incarcate cu electricitate negativa sunt ioni negativi si pentru ca se indreapta spre anod se numesc anioni, iar cele incarcate pozitiv, ioni pozitivi si se indreapta spre catod, formand cationi. Electrolitul din jurul anodului se numeste anolit, iar cel din jurul catodului, catolit. Conductibilitatea lichidelor se cheama conductibilitate ionica, deoarece transportul de electricitate se face de catre ioni. Lichidele conductoare de curent se numesc conductori de clasa a II – a. La trecerea curentului electric prin electroliti, pe electrozi se separa particulele componente ale electrolitului si anume: la catod se depun metalele si hidrogenul, iar la anod metaloizii, oxigenul si grupele de anioni. La anod, anionii se transforma in atomi neutri (sau grupe de atomi) pierzand electroni, iar la catod, cationii se transforma in atomi neutri (sau grupe de atomi) castigand electroni. De exemplu, la electroliza sarii de bucatarie, la anod se separa clor, iar la catod are loc separarea hidrogenului si formeaza hidroxidului de sodiu; la electroliza sulfatului de cupru se separa cupru sau hidrogen, iar la anod oxigen, formandu-se si acid sulfuric. Fenomenul de electroliza se produce pe baza unor anumite legi. Una din legi se refera la influenta curentului electric care produce electroliza si se enunta astfel: masa de substanta depusa la fiecare electrod este proportionala cu intesitatea curentului electric si cu timpul cat circula curentului electric prin electrolit. Adica, m = k.I.t,
in g,
in care: k este un factor de proportionalitate; I ∙ t = Q reprezinta cantitatea de electricitate transportata de ioni in timpul electrolizei (intensitatea se masoara in amperi si timpul in secunde). Deci se mai poate scrie: m = k.Q in g. O a doua lege exprima influenta electrolitului asupra rezultatelor electrolizei. Ea se enunta astfel: masele de substanta depuse la unui dintre electrozi, din electroliti diferiti parcursi de aceeasi cantitate de electricitate sunt proportionale cu echilavalentii lor chimici. Aceasta lege poate fi scrisa sub forma unei relatii cantitative, introducand un factor de proportionalitate k1. m = k1 A n in care: A este masa atomica a metalului; m – valenta metalului. Ambele legi se pot include intr-o singura relatie, care arata ca masa de substanta depusa este proportionala cu echivalentul chimic, cu intensitatea curentului si cu timpul. m=λA∙I∙t n in care λ A = k este echivalentul electrochimic al substantei respective si reprezinta cantitatea de substanta depusa de 1 coulomb. Electroliza are numeroase aplicatii in industrie. Din solutiile sarurilor metalice, in industrie, se separa cantitati mari de metal pur, prin depunere electrolitica. Un astfel de procedeu se aplica mai ales la zinc si cupru. Prin procedeul de galvanizare anumite piese metale ordinare pot fi acoperite, cu un strat subtire de alt metal ca nichel, crom, argint etc. Fenomenul de electroliza se mai foloseste si la obtinerea unor matrite pentru reproducerea unor obiecte dintr-un numar mare de exemplare. Mulajul obiectului (de exemplu medalie) se acopera cu un strat de grafit ca sa devina conductibil si se introduce ca electrod negativ intr-o baie de galvanizare pentru a obtine o copie in relief a obiectului respectiv sub forma unei pojghite metalice care sa serveasca apoi ca matrita. Procedeul se numeste galvanoplastie. Prin electroliza apei se obtine hidrogenul si oxigenul. Daca se efectueaza o electroliza repetata apa grea, care contine deuteriu, un izotop al hidrogenului cu masa atomica 2 folosita la reactoarele nucleare. Din electroliza sarurilor topite de aluminiu se obtin cantitati insemnate de aluminiu. Tot prin electroliza se obtine clorul, din clorurile topite.
Electroliza aluminei pentru obtinerea aluminiului metalic. Alumina (Al2O3) obtinuta din bauxita este supusa electrolizei dupa ce a fost dizolvata mai intai in criolita topita. Celula de electroliza este formata dintr-un creuzet prismatic din material refractar, captusit cu placi de carbune. In ea se introduce criolita topita (florura de aluminiu si de sodiu) in care, in mod treptat, se adauga alumina care se dizolva. Anozii formati din carbune sunt introdusi in materialul topit in celula de electroliza. Curentul trece prin electrolit, de la anod la catod si mentine o temperatura ridicata, aproximativ 1000ºC. Alumina se descompune sub actiunea curentului electric, in aluminiu si oxigen. In timpul procesului de electroliza aluminiul se depune la catod, iar oxigenul la anod. Aluminiul fiind incarcat pozitiv, merge la electrodul negativ, si se strange pe fundul celulei, deoarece captuseala acestuia, in functie de catod, este in legatura cu sursa de curent electric. Oxigenul fiind incarcat negativ este atras de anod, care fiind suspendat deasupra, este introdus in baia de electrolit topit pe masura ce se consuma, ca urmare a reactiei care are loc intre carbunele din electrod si oxigenul degajat. b) Pile electrice. Prin denumirea de pile, elemente sau baterii electrice se intelege, unele tipuri speciale de generatori electrici, capabili sa transforme enegia chimica in energie electrica, sa produca o forta electromotoare si sa asigure un regim stationar al curentului, intr-un circuit conductor, care se leaga la borne numite poli. Orice element galvanic este compus dintr-un electrolit care vine in contact cu doua conductoare de natura diferita. In regiunea de contact a electrolitului cu electrozii se produc potentiale electrice neegale, datorita naturii diferite a celor doua metale. Tensiunea electrica obtinuta prin procese chimice se explica prin teoria electronica. Electrolitul in care se introduce un electrod metalic dizolva metalul in proportie mai mare sau mai mica. El primeste sarcina electrica pozitiva a ionilor trimisa de electrodul de metalin urma dizolvarii lui, care ramane cu exces de electroni, adica incarcat negativ. Deci prin dizolvarea metalului se comunica electrolitul sarcina pozitiva a ionilor, iar metalul se incarca negativ. In felul acesta, apare o diferenta de potential de contact, care se va stabiliza la valoarea pentru care campul electric rezultat reuseste sa opreasca formarea noilor ioni metalici. Pe suprafata metalului se manifesta o presiune de dizolvare, care trimite ioni de metal in solutie, iar ionii din solutie exercita la randul lor o presiune denumita osmotica, cu tendinta de depunere a ionilor din solutie de metal. In cazul in care presiunea de dizolvare este mai redusa decat presiunea osmotica, ionii din metal sunt trimisi in electrolit pana cand se stabileste un echilibru dinamic. Asa se intampla de exemplu, cu zincul intr-o solutie diluata de acid sulfuric. In schimb, daca presiunea de dizolvare este mai mica decat presiunea osmotica a electrolitului atunci ionii din solutie se depun pe metal, incarcandu-l pozitiv (de exemplu, cupru in solutie de sulfat de cupru). In ordinea crescanda a presiunii electrolitice de dizolvare, metalele ocupa urmatoarele locuri: Cr, Pt, Au, Ag, Cu, Fe, Sn, Pb, Zn, Al, Mg, Na. Ce se intampla daca in locul unui singur electrod metalic se introduc doi electrozi intr-un electrolit ? De exemplu, in aceeasi solutie de acid sulfuric se introduc doua metale diferite (Zn si Cu). In acest caz apare o tensiune electrica intre cei doi electrozi, dupa acelasi mecanism, dupa care s-a creat tensiunea intre un metal si o solutie. Cuprul, de exemplu, trimite in solutie un numar mai redus de ioni decat zincul; deci sarcina electrica a electrodului de cupru este mai scazuta decat a celui de zinc. Daca se leaga cei doi electrozi metalici cu un conductor metalic, se constata ca prin el circula un curent electric, electronii deplasandu-se in circuitul exterior de la Cu la Zn, iar in masa electrolitului de la Zn catre Cu. In acest caz avem de-a face cu un element galvanic. In timpul functionarii unui element galvanic sarcinile pozitive mai sunt purtate si de ionii de hidrogen rezultati prin disociatia electrolitica a moleculelor de acid sulfuric, in apa. Acesti ioni sunt transportati pe placa de cupru, adica la electrodul pozitiv, unde se depun peste stratul metalic ce contine zinc. Depunerea de hidrogen la polul pozitiv creeaza o forta electromotoare de polarizare ce se opune celei initiale, pentru ca hidrogenul depus izoleaza electrodul de electrolit si formeaza impreuna cu zincul un alt element. Acest fenomen se numeste polarizarea electrozilor. Daca electrodul se inveleste cu o substanta oxidanta (acid azotic, solutie de bicromat de potasiu, granule de bioxid de mangan etc.), patura de hidrogen aparuta prin polarizare se combina cu oxigenul, formeaza apa si deci dispare. Asemenea substante se numeste depolarizante. Prin procesul de depolarizare se mentine cat mai constanta presiunea la bornele elementului galvanic. Se cunosc numeroase elemente galvanice, insa ele astazi nu mai prezinta interes, fiind inlocuite cu acumlatoare sau cu dinamuri. c) Termoelemente. S-a stabilit ca orice contact intre doua corpuri metalice diferite determina un schimb de sarcini electrice. De asemenea, intr-un circuit inchis, format exclusiv din metale, suma fortelor electromotoare de contact este nula daca pe acel circuit nu exista diferente de temperatura. Altfel, se petrece fenomenul daca se incalzeste regiunea de contact intre doua metale diferite. In acest caz apar forte electromotoare termoelectrice sau electrochimice, iar sistemul devine un generator de energie electrica, datorita transformarii energiei calorice sau chimice. Forta electromotoare formata trimite in circuit un curent electric daca unul dintre punctele de contact sau de sudura, intre doua metale adiacente are o alta temperatura decat al doilea punct. Deci prin incalzirea locului de unire a doua sarme din metale diferite ia nastere un curent electric, daca celelalte doua capete sunt unite si mentinute la o temperatura mai coborata. Fenomenul reprezinta efectul termoelectric si apare datorita variatiei fortei electromotoare de contact cu temperatura dintre sudura calda si cea rece. Efectul termoelectric are aplicatii practice la masurarea temperaturilor cu ajutorul cuplurilor termoelectrice si de la detectarea incendiilor prin detectoare cu termocupluri.
12. Acumulatoare a) Descriere-functionare. Acumulatoarele electrice sunt surse de energie electrica care fac parte din categoria elementelor galvanice secundare. Un element de acumulator este format dintr-un vas continand electrolit, in care se gasesc doi electrozi sub forma de placi, unul negativ si altul pozitiv. Electrolitul este constituit dintr-o solutie apoasa de acid sulfuric. Conectarea in serie sau in paralel, prin legaturi sudate sau insurubate, a mai mult elemente de acumulatoare da nastere unei bateriii de acumulatoare. Polii terminali ai unei astfel de baterii se numesc borne. Se construiesc acumulatoare cu placi de plumb si acumulatoare alcaline (Fe-Ni, Cd-Ni, Zn-Ag). La acumulatoarele cu plumb, placile sunt din plumb spongios, in alveolele carora se depune ca masa activa o pasta de oxizi de plumb (la polul pozitiv se depune Pb3O4, iar la cel negativ PbO). Daca bornele acumulatorului se leaga la o sursa de curent continuu, in acumulator se produce electroliza acidului sulfuric din electrolit. La polul pozitiv al acumulatorului se duc anionii SO4, care oxideaza Pb3O4 in PbO2, iar polul negativ cationii de H+, care neutralizeaza si apoi reduc PbO in Pb. Prin trecerea curentului continuuu prin acumulator placa pozitiva se acopera cu un strat de bioxid de plumb, iar cea negativa cu un strat de plumb spongios. Pe timpul acestui proces care se numeste incarcarea acumulatorului, concentratia de acid sulfuric in electrolit se mareste. Energia electrica folosita pentru incarcare se transforma in energie chimica. Pe timpul folosirii ca generator electric, acumulatorul se descarca. In interiorul lui se produce o reactie chimica care consta in disocierea acidului sulfuric in ioni de hidrogen si ioni de SO4. Ionii de hidrogen se duc la placa pozitiva si reduc Pb2 in Pb3O4, iar ionii de SO4 se indreapta catre placa negativa oxidand plumbul in PbO. Fenomenul se numeste descarcarea acumulatorului, in timpul careia energia chimica se transforma in energie electrica. La descarcare pe ambele placi ale acumulatorului se formeaza sulfat de plumb (SO4Pb), iar densitatea electrolitului se micsoreaza, deci se produce o dubla sulfatare. Reactiile chimice si electrochimice reversibile din cursul incarcarii si descarcarii se explica teoria dublei sulfatari, astfel: PbO2 + 2 H2SO4 + Pb ↔ 2 PbSo4 + 2 H2O La acumulatoarele alcaline electrolitul este format dintr-o solutie apoasa de potasa caustica. Constructia acumulatoarelor alcaline este similara cu cea a acumulatoarelor cu plumb. Metalele folosite pentru placi sunt: Ni, Fe, Cd, Ag si Zn. Functionarea acumulatoarelor alcaline are la baza aceleasi fenomene care se petrec la acumulatoarele cu placi de plumb. Materia activa a placilor pozitive, de exemplu, pentru elementele Fe-Ni este hidroxidul de nichel aflat sub forma Ni (OH)3, cand acumulatorul este incarcat si Ni (OH)2 dupa descarcare. La incarcare electrodul pozitiv se oxideaza, iar cel negativ se reduce: la descarcare fenomenul se produce in sens invers. Transformarile electrochimice care au loc la acumulatoarele alcaline sunt mai complexe ca cele cu plumb. La elementul cu nichel si fier reactia care are loc este: descarcare
2 Ni (OH)3 + KOH + Fe ↔
2 Ni (OH)2 + KOH + Fe (OH)2
incarcare
La elementul cu nichel si cadmiu: descarcare
2 Ni (OH)3 + KOH + Cd
↔
2 Ni (OH)2 + KOH + Cd (OH)2
incarcare
b) Pericolul de explozie pe timpul incarcarii acumulatoarelor. Pericolul de explozie apare la terminarea reactiilor chimice si electrochimice de incarcare. La terminarea incarcarii acumulatorului, curentul de incarcare produce disocierea apei din electrolit in hidrogen si oxigen. Cantitatea de hidrogen degajata pe timpul electrolizei apei din electrolit este influentata de valoarea curentului de incarcare. La o incarcare cu curent mic caderea de tensiune este redusa si fenomenele ce se desfasoara progresiv, in schimb la un curent mare, tensiunea creste rapid ca urmare a cresterii caderii de tensiune. Pe timpul incarcarii acumulatoarelor alcaline (Fe-Ni, Cd-Ni si Zn-Ag) se produc, in principiu aceleasi fenomene ca si la acumulatoarele acide, deci au loc si degajari de hidrogen. Pentru incarcarea acumulatoarelor se folosesc mai multe metode, unele din ele urmarind intensificarea regimului de incarcare, ceea ce are ca urmare si cresterea cantitatii de hidrogen degajata. In regim normal de incarcare, cantitatea de hidrogen degajata din acumulator se poate calcula cu formula: H2 = K1 ∙ Q ∙ a ∙ K2 ∙ 10 -3 in m3/h, γ in care
K1 este un coeficient care depinde de cresterea capacitatii fata de cea nominala; Q – capacitatea nominala a acumulatorului in Ah; a – cantitatea de hidrogen care se degaja din acumulator pentru fiecare Ah si este egala cu 0,0376 g (0,42 l); K2 – coeficient care pentru o incarcare normala (primele 6 – 7 ore) se ia egal cu 0,34 si pentru una intensificata cu 1; γ – greutatea specifica a hidrogenului egala cu 8,98 ∙ 10-3 g/cm. Valoarea lui K1 este data de relatia: K1 = Iinc ∙ tinc Q in care, Iinc – este curentul de incarcare in A; tinc – timpul de incarcare in h. Calculul cantitatii de hidrogen degajat in cazul cand la incarcare se gasesc loturi diferite (un lot la incarcare normala si altul la incarcare intensificata) se face cu formula: n
V = 0,0357 K c r Σ Qn ∙ nn ∙ 10-3 in m3/h H
2
1
in care, Kcr este coeficientul de crestere a cantitatii de hidrogen degajat in incapere pe timpul incarcarii si care se determina in functie de numarul acumulatoarelor aflate in incapere (normala si intensificata), si are in principiu valoarea de la 1,2 la 1,8; Qn ∙ nn – produsul dintre capacitatea si numarul elementelor fiecarei baterii care se incarca. Calculul cantitatii de hidrogen degajat este necesar la proiectarea si asigurarea unei ventilatii corespunzatoare inlaturarii pericolului de explozie.
13. Ionizarea gazelor Se stie ca in gaze exista in permanenta un numar redus de sarcini electrice libere, ca urmare a actiunii radiatiilor cosmice, radioactivitatii pamantului, radioactivitatii radiului si toriului din atmosfera. Gazul poate deveni conducator de electrica atunci cand printr-un procedeu oarecare se introduc in el sarcini electrice libere (electroni, ioni pozitivi, ioni negativi). Deci aerul se ionizeaza devenind un bun conducator de electricitate prin iradiere cu raze X, cu raze ultraviolete sau cu radiatii emise de o substanta radioactiva. Sub actiunea acestor agenti ionizati, moleculele de gaz (aer) pierd unul sau mai multi electroni si se ionizeaza. Apar deci pe de o parte ioni pozitivi, formati din molecule care au pierdut electroni liberi, iar pe de alta parte electroni liberi. Datorita diferentei de potential dintre electrozi, apare intre acestia un camp electric in care se deplaseaza ioni si electroni liberi. Ionii pozitivi se indreapta spre catod, iar electronii liberi spre anod. Curentul electric care circula prin gaze este deci un curent de convectie, format atat prin deplasarea electronilor liberi cat si a ionilor. Ionizarea gazelor este un fenomen reversibil, pentru ca ionii dupa ce se ciocnesc de electroni se mobilizeaza dand nastere din nou la molecule neutre, creandu-se astfel un echilibru intre numarul ionilor care se formeaza si cel al ionilor care dispar prin molizare. 14. Semiconductori Experienta a dovedit ca un cristal cu retea ionica este rau conductor de electricitate la temperatura normala, in schimb devine conductibil daca se incalzeste pana in apropierea punctului de topire. Cum cristalul nu contine electroni liberi ca metalele, transportul de electricitate se datoreaza ionilor si de aceea este considerat nu ca un conductor obisnuit ci ca un semiconductor. Semiconductorii sunt deci corpuri solide, in care transportul de electricitate are loc datorita ionilor. Majoritatea oxizilor metalelor, a compusilor lor sulfurosi si a altor compusi, grafitul, seleniul, germaniul, siliciul, telurul si alte elemente apartin grupei semiconductorilor. Cum circula curentul electric in semiconductoare ? Ne referim la germaniu reprezentantul tipic al semiconductorilor.
In timpul cristalizarii, atomii germaniului ca si atomii altor corpuri cristaline se asaza intr-o ordine stricta formand reteaua cristalina. La germaniu fiecare atom formeaza cate o legatura bielectronica cu alti patru atomi. Un astfel de cristal constituie un sistem foarte stabil, mai ales la temperaturi joase. In el fiecare atom este puternic legat de atomi vecini prin toti electronii sai de valenta. In cristal neexistand electroni liberi la temperatura joasa, acesta este un izolator, adica un rau conductor. In semiconductor, conductibilitatea apare numai daca in el se ivesc electroni liberi, situatie la care se poate ajunge in urma ruperii unor legaturi intre atomi. O astfel de rupere se poate produce la incalzirea semiconductorului. Sub influenta temperaturii, atomii incep sa se miste oscilatoriu si electronul, care capata o energie suplimentara, va putea sa rupa legatura sa cu atomul, sa se elibereze si apoi sa se deplaseze in interiorul cristalului, contribuind astfel la aparitia curentului electric. Locul eliberat de electron poate fi ocupat de un electron vecin, oarecare. Pe locul eliberat de acest electron sare un al treilea electron si astfel prin cristal poate trece de la atom la atom stafeta electronilor, concomitent cu stafeta locurilor vacante, care pot fi ocupate de electronul ce trece in directia opsa. De obicei, locul eliberat de electron, se numeste „gol”. Indepartarea din atom a unui electron, care poarta sarcina negativa, face ca atomul pana atunci neutru, sa devina incarcat pozitiv. Electronul avand o sarcina negativa se poate spune ca golul are una pozitiva. In urma agitatiei termice, electronii care s-au desprins de atomi se vor deplasa haotic prin atomic. Daca in cristal actioneaza un camp electric exterior, atunci electronii se vor indrepta spre polul pozitiv dand nastere la un curent electric. Un astfel de curent, generat de electronii liberi poarta denumirea de curent electronic, iar semiconductorii se numesc semiconductori cu conductibilitate electronica. Semiconductorii pot poseda si celalalt tip de conductibilitate denumita conductibilitate prin goluri. In cristalul semiconductor pot fi create conditii in care numarul golurilor sa nu mai corespunda numarului de electroni eliberati. Intr-un astfel de cristal poate predomina atat curentul electronic cat si curentul de goluri. Preponderenta unuia asupra celuilalt se asigura prin introducerea in critalul pur a unor adaosuri. Preponderenta curentului prin goluri asupra curentului electronic se realizeaza prin adaosuri de indiu, galiu si alte metale. Preponderenta curentului electronic asupra celei prin goluri se asigura prin introducerea adaosurilor de stibiu, arsen, bismut etc. 15. Detectoare de incendiu Pentru semnalizarea la timp a incendiilor se folosesc diferite dispozitive cu functionare automata, denumite detectoare. Acestea, impreuna cu sursele de alimentare cu energie, cu reteaua de transmitere a impulsurilor receptionate de detectoare si cu centrala de semnalizare alcatuiesc o instalatie automata de semnalizare a incendiilor. Dintre tipurile de detectoare care functioneaza pe baza unor fenomene electrice se vor descrie detectoarele de incendiu cu termocupluri, detectoarele cu camera de ionizare, detectoarele de fum, care folosesc celule fotoelectrice si detectoarele electronice (cu semiconductoare). Detectoare de incendiu cu termocupluri. Pricipiul detectarii cresterii temperaturii se bazeaza pe faptul ca la incalzirea unei lipituri care uneste doua metale diferite se produce un curent electric. Acesta este de fapt si principiul pielor solare. Curentul produs se stabileste totdeauna in acelasi sens, in raport cu cele doua metale folosite. Doua lipituri vecine produc curenti de sens contrar, care in acest caz se anuleaza. Prin izolarea termica a unei lipituri se obtin curenti de acelasi sens, care se insumeaza pana in momentul in care lipiturile izolate termic, incalzite prin conductibilitate termica produc curenti de neutralizare. Din punct de vedere constructiv se cunosc mai multe feluri de detectoare cu cupluri termoelectrice, cu sensibilitate diferita, insa principiul de functionare este acelasi. Detectorul cu camera de ionizare este format din doua camere (capsule) legate in serie intr-un circuit de curent continuu, in care se gaseste o sursa radioactiva. Una din camere comunica cu exteriorul, iar cealalta este etansa. Particulele alfa emise de sursa radioactiva ionizeaza aerul, facandul bun conducator de electricitate. Atata timp cat in ambele camere se afla aer curat, rezistentele electrice sunt egale si sub aceeasi tensiune. In momentul in care in camera deschisa patrund particule de fum si produse de ardere, se produce o diferenta de potential intre cele doua camere, ca urmare a perturbarii miscarii ionilor in camera de ionizare. Particulele de fum o data ionizate sunt mai putin mobile decat ionii din aerul obisnuit si deci necesita un timp mai lung pentru a ajunge la electrozii camerei de ionizare. Sansele de a intalni in deplasarea lor un electron liber su de a-l neutraliza sunt, in acest caz, mult mai mari decat ar putea sa le aiba ionii din aerul obisnuit. Ca urmare a acestor fenomene se produce o scadere a curentului de ionizare, o crestere a rezistentei electrice dintre electrozii camerei si tensiunea se redistribuie intre cele doua camere. Datorita acestui fapt se aprinde o lampa releu speciala (cu efluvii), care este o trioda cu gaz cu catod, provocand declansarea unui semnal de alarma. In general, pentru sursa de radiatie se foloseste radiu sau poloniu. Detectoarele cu camera de ionizare se recomanda a se utiliza in special la protectia bibliotecilor, arhivelor, muzeelor, expozitiilor, magazinelor de imbracaminte, statiilor de telefoane si a spatiilor unde s-ar putea produce un incendiu in urma unei arderi mocnite. Detectoarele de fum si flacari. Constructia unui detector care sa semnalizeze atat prezenta fumului cat si a flacarii este greu de realizat. Efectele fumului difera de cele ale flacarii, ceeea ce convine unui tip de detectoare nu convine celuilalt si invers. Detectarea, datorita prezentei fumului degajat in prima faza a incendiului, este eficienta numai daca fumul produs de incendiu are posibilitatea sa patrunda in detector. Detectoarele de fum folosesc celule fotoelectrice. Detectorul de fum este format dintr-o camera etansa la lumina (in care poate patrunde, prin niste registre, numai fumul), o lampa incandescenta, un ecran opac (paravan) si o celula fotoelectrica fixata in umbra ecranului opac, in asa fel incat sa nu primeasca vreun flux luminos.
Functionarea detectorului este simpla: dupa patrunderea fumului in camera detectorului, fasicululu de lumina emis de lampa se reflecta, prin intermediul particulelor de fum, in spatiul din exteriorul ecranului opac, pe suprafata sensibila a celulei fotoelectrice. Aceasta va genera o tensiune electromotoare care, amplificata se transmite in releul de alarmare. La alte tipuri de detectoare, intensitatea fasciculului de lumina ajunsa la celula fotoelectrica este redusa datorita prezentei fumului. Prin slabirea curentului electric, se declanseaza alarma. Functionarea detectoarelor sensibile la flacari se bazeaza pe principiul fotoelectric, adica transformarea energiei luminoase in energie electrica. Detectoare cu semiconductori. Aceste tipuri de detectoare sunt simple dar au dezavantajul unei instabilitati in timp. Prin diverse combinatii se pot obtine atat detectoare termostatice cat si termovelocimetrice sau combinate. Un detector termostatic se realizeaza prin introducerea unui semiconductor cu coeficient de temperatura, pozitiv intr-un brat al unei punti de masurat. Cand temperatura incendiului depaseste punctul de inversiune, puntea se dezechilibreaza si da semnalul de alarma. Cu aceleasi elemente se poate obtine un detector termovelocimetric. In acest caz se introduc doi semiconductori in doua brate alaturate ale puntii. Similar cu cazul detectoarelor cu termorezistente, unul din semiconductori se izoleaza termic. Semiconductorul neizolat va ajunge mai repede la temperatura de inversiunea coeficientului de temperatura, dezechilibrand puntea. Capitolul IX Electromagnetismul 1. Magnetismul Un magnet este o bara de otel dreapta sau indoita, care are proprietatea de a atrage pilitura de fier sau metalele feroase. Magnetul are doi poli: un pol nord si un pol sud. Daca se apropie intre ei polii a doi magneti de acelasi semn se resping, in timp ce polii de semn contrar se atrag. Forta de actiunea intre polii a doi magneti creste cu intensitatile magnetice ale poliilor (cu gradul lor de magnetizare) si descreste cu patratul distantei dintre poli. Daca se inseamna cu m1 si m2 intensitatile magnetice ale celor doi poli si cu 1 distanta dintre ei, forta de respingere sau de atractie, dupa cum polii sunt de acelasi nume sau de nume contrar, este data relatia: F = m1 ∙ m2 1² Din cele aratate mai sus rezulta ca in spatiul din jurul magnetilor se creeaza forte magnetice de atractie si de respingere. Acest spatiu poarta numele de camp magnetic. Intensitatea unui camp magnetic se materializeaza in linii de forta. Intensitatea campului magnetic notata cu H este proportionala cu intensitatea curentului electri I (in amperi), care produce campul si invers proportionala cu distanta r (in cm) pana la curentului electric: H = 0,2 I Oe. r In sistemul CGS em unitatea de masura a intensitatii campului magentic este oesterdul (Oe), iar in sistemul international amperul pe metru (A/m) care reprezinta campul magnetic produs in centrul unei spire circulare de 1 m diametru parcursa de un curent de 1 A (1 Oe = 103 A/m). 4π Daca in campul unui magnet permanent M se asaza o bucata de fier moale m, acesta devine la randul ei un magnet. Acest fenomen se numeste magnetizare prin influenta. Liniile de forta sunt mai dese in interiorul piesei de fier decat in aer. In acest caz, sub influenta campului magnetic H, a luat nastere o inductie magnetica B, data de relatia: B=μ∙H in care, μ este un coeficient numeric care poarta numele de permeabilitate. Daca se ia permeabilitatea aerului egala cu unitatea atunci B = H. Unitatea de masura a inductiei magnetice in S.I. este tesla (T)1, iar in sistemul CGS em gauss. _____ 1
T reprezinta inductia magnetica care produce un flux uniform de 1 Wb (weber) printr-o suprafata cu aria de 1 m², normala pe camp.
Totalitatea liniilor de forta care strabat o portiune a unui circuit magentic se numeste flux magnetic. Φ = B ∙ S. in care, B este inductia magnetica a materialului respectiv;
S – sectiunea fluxului magnetic. Unitatea de masura in SI este weberul, iar in sistemul CGS em maxwelul (1 Mx = 1 ∙ 10-8 Wb). O proprietate foarte importanta a curentului electric este aceea ca el produce intotdeauna in jurul sau un camp magnetic; nu poate exista curent fara sa existe si un camp magnetic. Daca curentul strabate un conductor liniar, liniile de forta ale campului magnetic, se orienteaza intr-un plan perpendicular pe directia lui, si au forma unor cercuri concentrice, mai dese in apropierea conductorului si mai rare pe masura ce se indeparteaza de el. In cazul unui solenoid sau bobina, liniile de forta produse se strang intr-un manunchi care strabat bobina in lungul ei. Acest manunchi constituie fluxul magnetic al solenoidului. In exterior, sprectul magnetic al solenoidului este la fel cu cel al unei bare magnetice, in interior insa liniile de forta sunt paralele cu axul si echidistante. Intensitatea campului magnetic din interiorul unui solenoid, este data de relatia: N = 10² ∙ N ∙ I l
[A] m
in care, N este numarul total de spire al solenoidului; I – intensitatea curentului in amperi; l – lungimea bobinei in centrimetri. In cazul unui solenoid in forma de tor, infasurat pe un miez de fier moale de permeabilitate μ, plecand de la formula de mai sus, inductia in interiorul circuitului magnetic devine: B = μ H = 10² ∙ N ∙ I μ l iar fluxul magnetic pentru suprafata S a selenoidului: Φ = B ∙ S = 10² ∙ N ∙ I ∙ μS l sau Φ = 10² ∙ N ∙ I __l__ μS Expresia 4 π NI se numeste forta magnetomotoare (analoga cu forta electromotoare E), iar expresia NI este denumita amperispire. In cazul circuitelor magnetice se utilizeaza si expresia nI, in care, n este numarul de spire pe centimetru de lungime a circuitului magnetic, adica, n=N. l 2. Electromagneti Daca in interiorul unei bobine prin care trece cu curent electric se introduce o bara de fier, bara se magnetizeaza puternic. Se creeaza in felul acesta, un magnet ai carui poli nord si sud coincid cu polii de iesire si de intrare a liniilor de forta in solenoid. Un asemenea magnet produs cu ajutorul curentului electric poarta denumirea de electromagnet. In general, electromagnetii au forma de bare sau potcoava. Practic ei sunt formati dintr-un miez feromagnetic si sunt echipati cu infasurari de excitatie, care se magnetizeaza temporar sub actiunea curentilor electrici stabiliti in circuitele infasurarilor in urma unei comenzi. Piesa de fier atrasa de electromagnet se numeste armatura. Forta de atractie asupra armaturii se numeste forta purtatoare (portanta) a electromagnetului si are valoarea: F = 2 (__B )². S in kg, in care, 5000 B – este inductia magnetica; S – suprafata unei fete polare. Electromagnetii sunt utilizati la relee, la dispozitive de semnalizare si automatizare, la transportarea greutatilor, la crearea campurilor magnetice intense etc. 3. Relee electrice
Releele electrice se impart dupa modul cum transforma in actiune impulsul primit din afara in: relee electromagnetice si relee termoelectrice. Primele se folosesc pentru supraintensitati care depasesc de 3 – 10 ori curentul nominal, functionarea lor bazandu-se pe forta de atractie a unui electromagnet. Releele electromagnetice se pot folosi atat pentru curentul continuu cat si pentru alternativ, deoarece forta de atractie nu depinde de sensul curentului. Releele termoelectrice se folosesc la protejarea motoarelor impotriva scurtcircuitelor. Functionarea unui asemenea releu se bazeaza pe fenomenul dilatatiei metalelor, din cauza caldurii produsa la trecerea curentului electric prin lamelele bimetalice. Elementul bimetalic este format din doua lamele metalice lipite una de alta, care au coeficient de dilatatie diferit. In urma incalzirii elementului, cele doua lampe se dilata inegal, se produce o indoire a elementului catre lamela cu coeficientul de dilatare mai mic, astfel ca la o anumita temperatura, contactele se desfac si circuitul se intrerupe. Prin racire, lamela bimetalica revine la starea initiala si circuitul se restabileste. Incalzirea elementului bimetalic se face fie direct atunci cand curentul trece prin el, fie indirect cand curentul trece printr-o bobina in jurul sau. Releul termoelectric nu reactioneaza la sarcini de scurta durata. El este construit astfel ca sa functioneze in urmatoarele conditii: - la o sarcina cu 5% mai mare decat cea nominala, sa nu provoace declansare timp de doua ore; la o sarcina cu 20% mai mare fata de cea nominala, sa poata determina declansarea in timp de doua ore; la o sarcina cu 50% mai mare decat cea nominala sa provoace declansarea in timp de doua minute. Motoarele electrice se pot defecta in timpul functionarii din cauza suprasarcinilor si scurtcircuitelor electrice, fenomene care pot sa duca la aparitia de incendii. Pentru a le proteja impotriva curentilor de scurtcircuit ele se prevad cu cate un releu electromagnetic de curent maxim in serie pe fiecare faza, iar protectia impotriva suprasarcinilor se obtine prin relee termoelectrice cu bimetal, montate, de asemenea, in serie pe fiecare faza. 4. Inductia electromagnetica Inductia electromagnetica sta la baza constructiei de masini electrice. Cand un conductor electric se misca intr-un camp magnetic in asa fel incat el sa taie linii de forta intre capetele conductorului se va produce o forta electromotoare, iar daca conductorul formeaza un circuit inchis, aceasta forta electromotoare da nastere unui curent electric. Forta electromotoare si curentul produs in conductor se numeste forta electromotoare indusa si respectiv curent indus. Experienta mai arata ca forta electromotoare indusa deci si curentul din circuit: - dispare, indata ce conductorul nu se mai misca, deci nu mai taie liniile de forta; - isi schimba sensul daca se schimba sensul de miscare al conductorului; - se mareste daca creste viteza de miscare a conductorului, adica daca se mareste numarul liniilor de forta taiate intr-un anumit timp; - se mareste daca creste intensitatea campului magnetic. Masinile electrice. In aceste masini exista un camp magnetic, format dintr-un electromagnet, care se numeste inductorul masinii si un circuit electric (circuitul indus al masinii) in care ia nastere, prin miscare, forta electromotoare si deci curentul indus. Sensul curentului indus intr-un circuit este astfel incat campul sau magnetic se opune miscarii care produce curentul. Intre campul magnetic si conductorul parcurs de curent iau nastere forte care actioneaza asupra conductorului si-l deplaseaza in sensul indicat. Aceste forte se numesc forte electromagnetice. Pe producerea fortelor intre un camp magnetic si circuitele parcurse de curent se bazeaza functionarea motoarelor electrice. 5. Elemente principale de automatizare a) Traductoare. Traductoarele constituie partea principala a instalatiilor automate de control, semnalizare, protectie si reglare automata. Traductorul este un dispozitiv care supus actiunii unui sistem fizic sau tehnic, stabileste o corespondenta univoca intre valorile unei marimi (de exemplu temperatura, presiune, turatie etc.) spefice unui sistem, numita marime de intrare si valorile unei marimi de alta natura (de exemplu tensiunea electrica, curent electric etc.), specifice altui sistem, numita marime de iesire. Traductorul realizeaza o transmitere si o transformare a informatiei. Sistemul de la iesire efectueaza operatii de masurare, de comanda, de control, de reglare etc. Marimea de iesire trebuie adecvata acestor scopuri si este, de obicei, electrica sau pneumatica. Dupa modul de functionare se deosebesc traducatoare de temperatura, presiune, nivel, debit etc. Traductoare de temperatura. Ca traductoare de temperatura se utilizeaza: termometre cu mercur si cu lichide; termorezistente si termocupluri cu semiconductori, elemente bimetalice etc. Termometrul cu rezistenta electrica este format dintr-un conductor de cupru sau de platina. Functionarea termometrului se bazeaza pe variatia rezistentei electrice a conductorului, in raport de variatia temperaturii mediului. Cu ajutorul filetului, termometrul cu rezistenta electrica se fixeaza in capacul sau peretele aparatului, in care se masoara sau se regleaza temperatura.
Termorezistente cu semiconductori. Ca materiale pentru executarea termorezistentelor cu semiconductori se folosesc in principal, oxizi, nitrurile, carburile, sulfurile metalelor (mangan, nichel, fier, wolfram etc.), precum si germaniu, seleniu si siliciu. Caracteristica termica a termorezistentei cu semiconductori consta in variatia rezistentei ei electrice in functie de temperatura. Termocupluri. Termocuplurile au capatat o larga utilizare pentru masurarea si reglarea precisa a temperaturilor inalte. Avantajul consta in faptul ca pe langa posibilitatea masurarii temperaturilor inalte, pana la 2000ºC, poseda o inertie mica, si au dimensiuni de gabarit mici. Termocuplul este un sistem de doua conductoare metalice de natura diferita, care au cate un capat lipit intre ele, iar cele doua capete ramase libere lipite de un conductor de cupru. Principiul de functionare a termocuplurilor se bazeaza pe efectul termoelectric. Termocuplurile folosite frecvent pentru masurarea temperaturilor sunt: platina-platina si rodiu pana la 1600ºC; cupru-constantan pana la 500ºC; fierconstantan, pana la 600ºC; argint-constantan, pana la 600ºC; nichel-crom-nichel, de la 300 la 1000ºC; iridiu 50% si 50% rodiu, pana la 2000ºC; iridiu – 90% si 10% rodiu, pana la 2300ºC; wolfram – 75% si 25% molibden, pana la 2600ºC. Traductoare de presiune. Traductoarele de presiune se construiesc sub forma de tuburi (U), de balante hidrostatice inelare, membrane, arcuri tubulare cu o singura spira, cu mai multe spire, rezistente piezoelectrice etc. Traductor de presiune inalta cu rezistenta piezoelectrica. Functionarea se bazeaza pe fenomenul variatiei rezistentei electrice a metalelor si semiconductoarelor sub actiunea presiunii hidrostatice. Se foloseste o spirala de manganin. Traductoarele de nivel, electrice. Cel mai simplu traductor electric este redarea a doua contacte la cresterea nivelului lichidului. Traductoarele cu suntarea rezistentei se bazeaza faptul ca rezistenta imersata intr-un lichid conductor de electricitate isi variaza valoarea ei in functie de inaltimea nivelului, ca urmare a actiunii de suntare. Traducatorul de nivel, termic se executa pe baza de termorezistenta electrica cu semiconductori. Termorezistenta se plaseaza in rezervorul de controlat la o inaltime corespunzatoare nivelului necesar. Ridicarea nivelului lichidului face sa treaca termorezistenta electrica din mediul gazos in mediul lichid, ceea ce determina schimbarea conditiei de cedare a caldurii si a valorii rezistentei electrice a termorezistentei. Toate traducatoarele electrice neizolate fata de mediul supus controlului pot fi folosite pentru controlul nivelului lichidelor combustibile numai la o tensiune a curentului, nepericuloasa. Traductoare pentru radiatie. Ca traductoare pentru radiatii ultraviolete si infrarosii se utilizeaza celule fotoelectrice cu vid sau umplute cu gaze, cu efect fotoelectric exterior si fotorezistente cu efect fotoelectric interior. La baza functionariii traductoarelor fotoelectrice sta efectul fotoelectric. Cel mai raspandit traductor de acest tip este fotorezistenta care poate functiona la curent continuu si alternativ. b) Organe de executie si reglare. Ca organe de executie se pot utiliza diferite elemente dintre care fac parte si servomotoarele, iar ca organe de reglare supapele, ventilele, vanele, mufele, reostate de reglare etc. Servomotorul se compune dintr-un cilindru si un piston. Presiunea lichidului de lucru de la amplificator deplaseaza pistonul in sus sau in jos, in functie de partea din care lichidul de lucru intra in cilindru. Deplasarile pistonului se transmit prin tija la organele de reglare. O instalatie de masurat cu traductoare consta intr-un complex de aparate destinate masurarii. Ea se compune, de regula, din doua parti: elementul primar (traductorul) montat direct la locul de masurare si care emite informatii asupra valorii marimii masurate; dispozitivul secundar in care se prelucreaza informatia primita, care poate fi un releu, aparat indicator, aparat inregistrator etc. Pentru comanda si semnalizare se folosesc relee de diferite tipuri conectate la iesirea traductoruli printr-un redresor, fie direct, fie in cazul folosirii releelr de curent continuu. Capitolul X Masini electrice 1. Generalitati Masina electrica se numeste orice sistem capabil sa transforme energia mecanica in energie electrica si invers, sau sa transforme energia electrica cu anumiti parametri in energie electrica cu alti parametri. Sistemele (dispozitivele) care transforma energia electrica dintr-o forma in alta, fara intermediul energiei mecanice, se numesc aparate electrice (transformatoare, redresoare etc.). Masinile electrice care tranforma energia mecanica in energie electrica si invers, sau sa transforme energia electrica cu anumiti parametri in energie electrica cu alti parametri. Sistemele (dispozitivele) care transforma energia electrica dintr-o forma in alta, fara intermediul energiei mecanice, se numesc aparate electrice (transformatoare, redresoare etc.). Masinile electrice care transforma energia mecanica in energie electrica se numesc generatoare electrice, iar cele care transforma energia electrica in energie mecanica, motoare electrice. Una dintre cele mai importante proprietati ale masinilor electrice este reversibilitatea, adica posibilitatea de a fi utilizate, daca este cazul, atat ca generatoare cat si ca motoare electrice. Reversibilitatea masinilor electrice se datoreaza faptului ca ele functioneaza pe baza unei legi comune si anume legea inductiei electromagnetice, care se defineste astfel: variatia fluxului magnetic ce strabate un sistem de conductoare electrice, produce in acel sistem energie electrica.
In esenta, orice masina electrica este construita dintr-un circuit parcurs de curent in care se dezvolta prin inductie o forta electromotoare. La un generator electric circuitul este parcurs de curent in acelasi sens cu forta electromotoare de inductie, in schimb la un motor electric curentul are sensul opus fortei electromotoare. Masinile electrice, in raport de natura curentului produs sau consumat se clasifica in masini de curent continuu si in masini de curent alternativ. Masinile de curent continuu, din punct de vedere constructiv se pot clasifica in: generatoare de curent continuu (dinamuri) si motoare de curent continuu. Masinile de curent alternativ, dupa turatia care functioneaza, se impart in masini sincrone si in masini ascincrone. Masinile sincrone functioneaza la o turatie constanta determinata de numarul de poli ai masinii si de frecventa curentului alternativ si se impart in alternatoare (generatoare de curent alternativ) si in motoare sincrone. Masinile asincrone functioneaza la turatii variabile. Cea mai raspandita masina electrica de acest tip este motorul asincron (motor cu inductie). Din aceeasi categorie mai fac parte si motorul de curent alternativ cu colector care din punct de vedere constructiv seamana cu motorul de curent continuu. 2. Masini de curent alternativ Masini sincrone. Pentru intelegerea functionarii electromotorului trebuia urmarita formarea curentului alternativ intr-o spira care se roteste in jurul unui ax intr-un camp magnetic. Numarul de perioade pe secunda determina frecventa curentului alternativ. Curentul alternativ furnizat de centralele electrice din tara noastra are frecventa de 50 perioade pe secunda. Relatia dintre perioada (T) si frecventa (f) este urmatoarea: f=1 T Curentul alternativ se produce in masini electrice numite alternatoare. Un alternator se compune din doua parti principale: - statorul care poarta pe suprafata sa interioara infasurarea indusa a masinii. - rotorul care se roteste in interiorul statorului. Statorul se construieste din table de fier magnetic (tole) introduse intr-o carcasa din otel sau fonta. Tolele sunt izolate intre ele cu lac sau hartie, pentru a se reduce din actiunea curentilor Foucault 1), care circula in interiorul carcasei. Ele au pe marginea interioara o serie de crestaturi, in care se asaza infasurarea statorului. Rotorul de otel sau fonta poarta la periferia sa electromagnetii, formand sistemul inductor. In functie de constructie se produc rotori cu poli aparenti sau ingropati. La rotorii cu poli ingropati, infasurarea se introduce direct in masa metalica a rotorului. Ei rezista mai bine la fortele centrifuge. Acest gen de rotor se utilizeaza la alternatorii cuplati in turbine, din care cauza, grupul respectiv poarta denumirea de turboalternator sau turbogenerator. Excitatia inductorului se face cu ajutorul curentului continuu, produs de un generator asezate pe acelasi arbore cu alternatorul. Functionarea alternatorului. Cand rotorul alternatorului se invarte, liniile de forta dintre poli taie infasurarile bobinelor din stator, inducand in ele f.e.m. Cand toti polii se gasesc intre infasurarile bobinelor din stator liniile de forta nu mai taie infasurarile (f.e.m. este egala cu zero). Rotorul continuand sa se invarteasca, liniile de forta dintre poli incep sa se taie din nou infasurarile statorului inducand f.e.m. Cand polii ajung in dreptul infasurarilor statorului, f.e.m. este maxima. Rotorul continand sa se invarteasca pana se indeparteaza de infasurarile statorului, f.e.m. devenind iar zero, ca sa devina maxima in momentul in care polii rotorului ajung in dreptul infasurarilor statorului. Frecventa curentului alternativ care ia nastere in stator se determina cu relatia: f = p.n in care, f este frecventa curentului; p – numarul perechilor de poli; n – rotatii/minut sau in H2. f = p ∙ n H2 60 Motoare asincrone. Motoarele asincrone sunt cele mai raspandite masini electrice. Ele pot fi monofazate si trifazate. Motorul asincron se compune dintr-o parte fixa, numita stator si dintr-o parte care se roteste inauntrul statorului, numita rotor. Statorul este format dintr-o carcasa construita din tole de otel izolate intre ele. Pe suprafata cilindrica interioara se gasesc santuri (crestaturi) paralele cu axul masinii, in care se asaza infasurarile statorului (bobinele) dupa o regula anumita. Fiecare faza are infasurarea ei separata, care se leaga la cate una din bornele motorului (montate in cutia cu borne). Capacele cutiilor de borne sunt usor demontabile si protejeaza bornele impotriva atingerilor. La un motor trifazat exista deci in total sase borne. Bornele sunt marcate cu litere, gravatepe placa de conexiuni. Bornele sunt marcate cu litere, gravate pe placa de conexiuni. Inceputul infasurarii fazei intai este marcata cu U, iar sfarsitul cu X; a doua faza este marcata cu V si Y, a treia cu W si Z.
Bornele U, V si W (adica inceputurile infasurarilor se leaga la intrerupatorul respectiv si de aici cu reteaua electrica. Legaturile se fac prin conductoare de sectiune potrivita amperajului, deci puterii motorului si tensiunii retelei. Bornele X, Y, Z (sfarsitul infasurarilor) se pot lega fie in „stea”, fie in „triunghi”. Legarea in „stea” se executa legand bornele X, Y si Z intre ele, iar legarea in „triunghi” se face legand sfarsitul fazei a intaia (borna X) cu inceputul fazei a doua (borna V) si in continuare Y cu W si Z cu U. Pe eticheta motorului se indica tensiunea pentru care motorul este construit si felul legaturii (stea sau triunghi). Rotorul motorului asincron constituie un circuit inchis care joaca rolul spirei inchise. Rotoarele motoarelor asincrone sunt de doua feluri: in scurtcircuit sau „colivie de veverita” si bobinate „cu inele”. La motoarele in scurtcircuit in fiecare crestatura se introduce o bara de cupru; toate barele de cupru sunt legate (scurtcircuitate) intre ele pe cele doua parti frontale ale rotorului prin cate un inel („colivie de veverita”). La aceste motoare rotorul nu are nici o legatura electrica cu exteriorul. La motoarele cu inele colectoare, infasurarea rotorului este asemanatoare celei a statorului. Inceputurile celor trei infasurari de faza sunt legate intre ele, iar sfarsiturile la cate un inel de contact montat pe arbore si bine izolat de acesta (in total sunt trei inele, din bronz). Fiecare inel aluneca sub cate o perie, tinuta de o port-perie, care este montata fix pe stator. De la perie curentul rotorului trece la port-perie, de aici printr-un cablu la bornele rotorului (montate pe stator) si in continuare printr-un alt cablu a reostatul (rezistenta) de pornire. Functionarea motorului asincron se bazeaza pe formarea unui camp magnetic invartitor, la trecerea curentului trifazic, primit de la retea, prin infasurarile bobinelor statorului. Punerea in miscare a rotorului se produce in urma faptului ca liniile de forte magnetice, traverseaza conductoare din infasurarile rotorului sub tensiune si le imprima acestora o miscare. Viteza de rotatie a rotorului este intotdeauna mai mica decat viteza de rotatie a campului magnetic invartitor din stator, care depinde de frecventa curentului de alimentare si de numarul perechilor de poli ai infasurarii bobinelor din stator. Daca nu ar exista aceasta diferenta de viteza de rotatie, atunci campul magnetic invartitor nu ar mai taia infasurarile rotorului si deci in aceasta nu ar mai apare f.e.m. de inductie si nici curenti si ca urmare nu s-ar mai naste cuplul de forte care sa miste rotorul si sa puna in functiune motorul. Din cauza ca rotorul se invarte cu alta viteza decat viteza de rotatie a campului magnetic (viteza de sincronism), motoarele de acest tip se numesc „asincrone”. Tipuri de motoare asincrone. Dupa felul de protectie, motoarele electrice asincrone se construiesc de mai multe tipuri: - deschise, care sunt destinate pentru incaperi uscate si ferite de praf. Capacele laterale ale statorului sunt deschise, neprotejate, lasand sa intre aerul; - protejate contra picaturilor de apa, la care deschiderile pentru aerisire sunt asezate in partea de jos a capacelor (obiectele straine si picaturile de apa nu pot patrunde in interior). Astfel de motoare se pot monta si in aer liber, dar nu in ploaie; - inchise complet, destinate pentru incaperile cu praf sau incaperi umede; - capsulate, care au capetele arborelui motor si legaturile electrice etansate, adica astupate in asa fel incat apa sa nu poata patrunde, asa ca aceste motoare pot fi folosite si sub apa; - asigurate contra exploziilor (destinate pentru incaperi cu gaze sau praf care pot forma amestecuri explozive).
3. Masini de curent continuu Constructia masinilor de curent continuu. O masina generatoare de curent continuu se compune din: inductor sau stator (partea fixa), rotor (partea care se roteste) si colector. Inductorul (statorul) este format dintr-o coroana de fier sau fonta, in interiorul careia se fixeaza un numar pereche de electromagneti (poli, dispusi alternativ N-S). Bobinele poliilor sunt legate in serie. Indusul (rotorul) se roteste in interiorul statorului si este format dintr-un pachet de tole, de otel silicios. In crestaturile tolelor se asaza infasurarea tehnica, formata din conductori de cupru izolati. Colectorul se gaseste fixat intr-o parte a indusului. El este format din lamele de cupru, izolate intre ele prin foi de mica. Lamelele se fixeaza pe ax prin rondela si surub. In crestaturile lamelelor se lipesc cu cositor capetele bobinei. Pe suprafata cilindrica a colectorului, strunjit si slefuit bine, se asaza periile, prin intermediul carora se face colectarea curentului. De obicei numarul periilor este egal cu numarul polilor inductori. Periile se confectioneaza din carbune (grafit) si se fixeaza in portperii. Dinamul. Functionarea dinamului. Dinamul este o masina de curent continuu. Polii dinamului produc un flux magnetic. Prin rotirea indusului, conductoarele taie liniile de forta produse pe campul magnetic inductor luand nastere in conductoare o tensiune electromotoare de inductie. Cand conductoarele se gasesc in apropierea liniei neutre, perpendicular pe axa polilor, nu se produce o tensiune electromotoare indusa, pentru ca ele nu taie liniile de forta. Linia aceasta perpendiculara pe directia fluxului inductor, se numeste linie neutra. Functionarea unei masini de curent continuu se poate intelege mai bine urmarind rotirea unei spire (indus) intr-un camp magnetic. Se considera o spira AB care se roteste intr-un camp magnetic produs de polii N.S. In momentul in c are conductorul A al spirei se afla in dreptul polului N, taie liniile de forta si ia nastere in el o tensiune electromotoare de un anumit sens.
Departandu-se de axa polilor si apropiindu-se de axa neutra tensiunea electromotoare scade ajungand la zero in dreptul acestei axe, deoarece conductorul A nu taie nici o linie de forta. Rotind, in continuare conductorul A, el trece prin dreptul polului S, este taiat de liniile de forta magnetica si deci din nou ia nastere o tensiune electromotoare, insa de sens invers. Urmarind trecerea conductorului B prin fata polilor N si S se observa acelasi fenomen. Sensul tensiunii electromotoare ce ia nastere in conductorul B, cand trece prin fata polului S, este invers fata de sensul celei ce ia nastere in conductorul A, cand acesta trece prin dreptul polului S. In circuitul exterior inchis, conductorul A in contact cu peria m, prin intermediul jumatatii de inel 1, iar conductorul B in contact cu peria n, prin intermediul jumatatii de inel 2. In acest caz, conductorul A se afla in dreptul polului N, iar conductorul B in dreptul polului S. Se roteste spira. La trecerea conductorului prin axa neutra, tensiunea electromotoare devine zero, iar conductorul A va parasi peria m, facand contactul cu peria n. In momentul trecerii curentului devine zero. Conductorul B se gaseste in fata polului S si deci in legatura cu peria n, in acelasi timp conductorul A se afla in afara polului N si in legatura cu peria m. Deci in spira tensiunea electromotoare are un sens contrar fata de primul caz, iar in circuitul exterior acelasi sens. La bornele periilor m si n, tensiunea curentului are acelasi sens ca in prima jumatate de rotatie, partea negativa s-a redresat astfel incat ia nastere un curent pulsatoriu. Pentru a micsora pulsatia curentului se mareste numarul de spire si numarul de lamele colectoare si astfel curentul capatand o valoare constanta devine continuu. Deci, colectorul face ca sensul tensiunii la bornele periilor m si n sa ramana neschimbat in timpul unei rotatii a periei, in campul magnetic. Motoare de curent continuu. Motorul de curent continuu este construit la fel ca si dinamul de curent continuu, deci orice dinam poate servi ca si motor. Singura deosebire consta in aceea ca in locul rezistentei de excitatie a dinamului, la motoarele de curent continuu se foloseste o rezistenta sau reostat de pornire. Dupa felul cum reostatul de pornire se leaga la perii, la bobinele magnetilor si la firele de curent se construiesc motoarele sunt sau cu derivatie, motoare serie sau motoare compund. Motoarele de curent continuu se intrebuninteaza acolo unde masinile trebuie pornite sau oprite incet sau unde se schimba turatia in timpul mersului, cum este cazul, de exemplu, la tramvaiele electrice. 4. Deosebirea dintre curentul continuu si curentul alternativ Curentul care trece printr-un conductor mereu in acelasi sens si este produs de o pila electrica sau de un dinam se nmeste curent continuu. Daca curentul are un sens variabil, adica isi schimba sensul de mai multe ori pe secunda si este produs de generatoare de curent alternativ se numeste curent alternativ. Curentul continuu nu-si schimba tensiunea si nici intensitatea, in schimb la curentul alternativ valoarea intensitatii si a tensiunii nu mai sunt constante, deci se schimba mereu. Curentul electric continuu este asemanator unui curent de apa care circula printr-un tub care leaga orificiul de aspiratie cu cel de refulare de la o pompa centrifuga. Curentul de apa are in acest caz mereu acelasi sens. Curentul electric alternativ se aseamana cu un curent de apa aspirat si refulat intr-un tub care leaga cele doua supape ale unei pompe cu piston. Cand pistonul se misca in sus, curentul de apa are un sens, iar cand se misca in jos un sens invers. Curentul alternativ se caracterizeaza prin perioada T si frecventa f. Perioada reprezinta timpul necesar trecerii curentului de doua ori prin zero (ciclu), iar frecventa reprezinta numarul de perioade pe secunda. Intre ele exista relatia f = 1. T Cand circuitul in care ia nastere curentul alternativ nu are bobine, deci este constituit numai de rezistente ohmice (fara spire), fara selfinductie1), (autoinductie) atunci punctele I si E care reprezinta curentul si forta electromotoare din circuit sunt situate pe aceeasi raza a cercului si in acest caz, curentul este in faza cu tensiunea, deci ele trec prin valorile maxime si prin zero in acelasi timp. Daca insa circuitul contine un numar apreciabil de spire, se produce o selfinductie L1) importanta, curentul nu mai este in faza cu tensiunea, ramane mereu in urma acesteia. Punctele I si E nu mai sunt pe aceeasi raza ci pe doua raze diferite, facand intre ele un unghi φ, numit diferenta de faza sau decalaj intre curent si tensiune. Pentru curentul alternativ, intensitatea este data de relatia: I = ________U_____ √ R² + (2 π f)² L² 1)
Inductia produsa intr-un circuit de variatia intensitatii curentului care strabate acel circuit.
in care, U – tensiunea in volti aplicata la borne; f – frecventa curentului produs in circuit; R – rezistenta in ohmi; L – inductivitatea circuitului in henry. Expresia de mai sus reprezinta legea lui Ohm aplicata la curentul alternativ. Marimea √ R3 + (2 π f)2L² = Z se numeste impedanta si se masoara in ohmi.
Relatia 2 π f reprezinta pulsatia curentului alternativ, se noteaza cu ω. In acest caz impedanta se mai poate scrie sub forma: Z = √ R² + ω² L² Puterea reala a curentului electric are valoarea: P = UI cos φ in care, cos φ este un coeficient numeric care poarta denumirea de factorul de putere al circuitului si variaza intre zero si 1. Vloarea lui este data de relatia: Cos φ = ______R______ √ R² + L² ω² 5. Transformatoare si redresoare Transformatoare. Daca pe un miez din tole subtiri di tabla de otel se infasoara doua randuri de bobine si daca se trece un curent alternativ prin una din bobine (infasurare), la capetele celeilalte bobine se naste o tensiune electromotoare magnetica, desi nu exista nici o legatura intre ele. Aceasta tensiune electromotoare ia nastere datorita inductiei electromagnetice intre spirele primei bobine (infasurarii) si spirele bobinei a doua. Bobina prin care trece curentul din exterior formeaza circuitul primar al transformatorului, iar cea in care ia nastere tensiunea electromotoare, alcatuieste circuitul secundar. Desi principiul de functionare al transformatoarelor se bazeaza pe interactiunea electromagnetica dintre infasurarea primara si cea secundara. Transformatoarele care au mai putin spire in infasurarea secundara si care dau o tensiune mai mica decat a retelei, se numesc transformatoare coboratoare de tensiune, iar cei care au mai multe spire la secundar si dau o tensiune mai mare decat a retelei se numesc transformatoare ridicatoare de tensiune. Tensiunea indusa in secundar este proportionala cu numarul de spire. Rezulta deci ca raportul dintre t.e.m. indusa in cele doua bobinaje este egal cu raportul numarului de spire al acestor bobinaje. Intensitatea curentului din primar si secundar sunt in raport invers cu numarul de spire. Daca circuirul secundar este deschis, adica nu are nici un consumator de curent, curentul care circula prin bobinajul primar va fi mic. In consecinta si caderea de tensiune va fi foarte mica, in comparatie cu tensiunea la bornele primarului. Deci se poate considera ca tensiunea este egala cu f.e.m. Exista si transformatoare care au infasurarile unei faze legate galvanic intre ele, infasurarea primara fiind o parte din infasurarea secundara (la autotransformatorul ridicator de tensiune) sau infasurarea secundara fiind o parte din infasurarea primara (la autotransformatorul coborator de tensiune). Un astfel de transformator se numeste autotranformator. Redresoare. In majoritatea cazurilor instalatiile electrice furnizeaza curent alternativ si in anumite situatii este nevoie de un curent continuu. Pentru transformarea curentului alternativ in curent continuu se folosesc aparate numite redresoare. Dupa principiul pe care se bazeaza efectul de redresare redresoarelel pot fi electronice si mecanice. Redresoarele electronice cel mai frecvent utilizate sunt constituite dintr-un transformator de alimentare, un numar de elemente redresoare si un filtru electric. Elementele redresoare numite si supape electrice sau ventile electrice, sunt dispozitive care supuse unei tensiuni electrice alternative, permit trecerea curentului electric practic numai intr-un singur sens. Dupa proprietatile mediului in care se produce efectul de redresare, elementele redresoare pot fi cu semiconductori (cuproxid, germaniu, seleniu, siliciu), cu gaz (tiratroane, fenotroane, tuburi polianodice cu catod de mercur etc.) cu vid (kenotroane). Redresoarele mecanice functioneaza pe baza comutarii periodice a legaturilor unui circuit electric alimentat de un curent alternativ. Dintre redresoarele mecanice frecvent utilizate sunt redresoarele sincrone, cu contact, cu relee de curent, cu vana de mercur. Bobina de inductie. Bobina de inductie este un transformator al curentului continuu de tensiune joasa in curent alternativ de tensiune inalta. Curentul de tensiune inalta fiind produs prin fenomene de inductie, se mai numeste si curent de inductie. Ca aplicatii practice, bobina de inductie se foloseste la producerea scanteilor de inalta tensiune la bujiile motoarelor cu explozie, la cercetari stiintifice cu privire la conductibilitatea electrica a gazelor, la producerea oscilatiilor electromagnetice etc. Convertizoare. Convertizoarele sunt masini sau grupuri de masini electrice rotative, de constructie speciala, destinate sa transforme curentul electric continuu in alternativ si invers, sa modifice valoarea tensiunii sau a frecventei curentului. Din punct de vedere al felului transformarii, convertizoarele electrice pot fi: - convertizoare care transforma un curent alternativ trifazat intr-un curent alternativ monofazat; - convertizoare care transforma un curent alternativ trifazat in curent continuu, mai rar invers; - convertizoare care transforma un curent continuu de o anumita tensiune in curent continuu de alta tensiune. Din punctul de vedere al principiului de functionare, convertizoarele electrice se impart in: - convertizoare care functioneaza pe baza principiului „supapei”, de tipul redresoarelor; - convertizoare rotative a caror functionare se bazeaza pe fenomenul de inductie electromagnetica, ele fiind formate fie dintr-o masina electrica, fie din doua masini de tipul motor-generator, cuplate impreuna.
- convertizoare cu transzistoare. 6. Deranjamente la masini si aparate electrice care genereaza pericolul de explozie si incendiu Defecte la masinile sincrone. Masinile sincrone pot avea defecte de fabricatie de diferite feluri, care sunt de natura mecanica, magnetica sau electrica. Prin verificari defectele se sesizeaza si apoi se inlatura. La alternatoarele in functiune se pot intampla o serie de defecte. Defectele care pot cauza incendii sunt: - unele bobine ale statorului se incalzesc prea mult, chiar in gol. In acest caz este probabil sa se fi produs un scurtcircuit intre spire, deranjament care reclama inlocuirea bobinelor defecte; - rotorul se incalzeste prea tare. Este probabil ca masina sa functioneze supraincarcata sau sa aiba un fractor de putere cos φ prea redus. In acest caz este necesar sa se corecteze sarcina sau sa se mai puna un generator in paralel; - scurtcircuit in bobinajul rotorului, identificat prin tensiunile inegale intre faze, prin incalzirea bobinajului rotorului si zgomotul facut de generator; - supraincalzirea bobinajului de excitatie, cauzata in general de un scurtcircuit in bobinajul de excitatie. Incalzirea motoarelor. Incalzirea motoarelor in timpul functionarii este un fenomen normal. Caldura se produce in infasurarile motorului din cauza intensitatii curentului si a rezistentei bobinajului, ca la oricare alt conductor electric. Meizurile de fier se incalzesc si ele din cauza curentilor Foucault. De asemenea se produc incalziri si la lagare, din cauza frecarii. Din energia consumata de motor numai o parte (in medie 85%) se transforma in lucru mecanic util, restul se transforma in interiorul motorului in caldura. Se spune ca motorul electric are un randament de circa 85%. Caldura produsa in motor incalzeste toate organele masinii. Aceasta crestere de temperatura nu trebuie sa treaca insa de o anumita limita. Defectarea motoarelor. Pe timpul functionarii, motoarele se pot defecta din diferite cauze, din care se mentioneaza suprasarcina, scurtcircuitul si mersul in doua faze. Suprasarcina apare atunci cand se cere motorului sa suporte o sarcina mai mare decat aceea pentru care a fost construit (sarcina nominala). Motorul poate suporta timp de cateva secunde sau minute o suprasarcina de 80% peste sarcina nominala, fara nici un inconvenient. Daca suprasarcina dureaza mai mult, curentul marit incalzeste bobinele peste temperatura admisibila de 100ºC. Din cauza acestei temperaturi ridicate se arde izolatia si se produce un scurtcircuit care distruge bobinajul. Scurtcircuitul se poate produce sau prin atingerea conductorilor din doua spire vecine sau in urma faptului ca motorul „are masa”, adica curentul a strapuns izolatia si se scurge prin carcasa motorului la pamant. Consecintele sunt totdeauna aceleasi, arderea completa a bobinajului. Mersul motorului in doua faze se produce la motoarele trifazate, cand una din fazele statorului este intrerupta (de exemplu, prin topirea sigurantei). In acest caz, lucreaza numai doua treimi din bobinajul caruia i se cere totusi sarcina intreaga. In consecinta, aceasta parte a bobinajului este supraincarcata si motorul se arde. La generatoarele de curent continuu, deranjamentele care ar putea sa prezinte pericol de incendiu sunt: - la perii se produc scantei electrice destul de puternice; - organele dinamului se incalzesc peste normal. Printre cauzele care produc scantei puternice la periile generatorului se enumera: - calajul incorect al periilor; - aparitia de suprasarcini, din cauza tensiunii anormale si a defectelor de izolatie din circuitul exterior; - neintretinerea colectorului, periilor si suportilor de perii; - in indus sau colector s-a produs un scurtcircuit; - bobina inductoare prezinta defectiuni, din cauza unei proaste izolatii; - campul inductor este slab, fie din cauza aparitiei unui scurtcircuit in inductor, fie datorita faptului ca bobinele inductoare au o izolatie necorespunzatoare si se produce un contact intre spire. Cresterea temperaturii uleiului la transformatoare. In timpul functionarii transformatorului, atat in miez cat si in infasurari se produc pierderi de energie sub forma de caldura. Pericolul de incendiu si explozie este favorizat de decompunerea si oxidarea uleiului pe timpul incalzirii si strangerea in partea superioara a cuvei, a unei anumite cantitati de gaze si vapori inflamabili. Din cauza incalzirii uleiului de transformator peste limita admisa, acesta isi mareste foarte mult volumul, incat se poate produce o explozie a cuvei, uleiul se imprastie si venind in contact cu aerul se aprinde. In interiorul cuvei pot avea loc scurtcircuite in infasurari sau amorsari de arcuri electrice intre electrozi. Pentru a preintampina aprinderea gazelor rezultate in urma descompunerii uleiului pe teava dintre cuva si transformator se intercaleaza un releu de gaze (Bucholtz). Releul de gaze este format dintr-un corp turnat din fonta prevazut cu doua flanse si un capac. In interiorul corpuluide fonta sunt montate doua flotoare unul deasupra celuilalt, care basculeaza in jurul unei axe prinse de cuva. De flotor sunt fixate niste balonase de sticla prevazute cu contacte de mercur. In conditii normale de functionare, ambele flotoare (B1 si B2) plutesc in ulei si in acest caz contactele sunt deschise. Daca nivelul uleiului scade, in urma scurgerii uleiului din transformator, flotorul din partea de sus coboara si inchide contactul legat la circuitul de semnalizare. In cazul cand in transformator apar defectiuni grave, gazele care se formeaza sunt degajate violent, patrund in releul de gaze si apleaca flotorul B2, care inchide contactul de mercur si da comanda de deconectare a transformatorului.
Capitolul XI Unde electromagnetice si unde radio 1. Unde electromagnetice Daca printr-un conductor circula un curent alternativ de radio frecventa, in jurul conductorului apar campuri alternative, unul electric si altul magnetic, care alcatuiesc impreuna un camp electromagnetic. Acest camp se propaga in toate directiile, cu viteza de aproximativ 300.000 km/s. Interdependenta dintre campul electric variabil si in campul magnetic variabil explica propagarea campului electromagnetic in spatiu. Variatiile campului electric produc in spatiul inconjurator un camp magnetic, care nu ramane constant ci se schimba, deoarece se schimba si campul electric care l-a produs. Dar variatiile campului magnetic produc la randul lor, un nou camp electric, care de asemenea variaza, producand din nou un camp magnetic etc. Astfel, campul electromagnetic este un proces oscilatoriu mobil care cuprinde tot mereu noi portiuni de spatiu. Deci campurile magnetice si electrice variabile sunt inseparabile si se propaga in spatiu cu viteza finita. In spatiul campul electromagnetic genereaza unde electromagnetice. Unda electromagnetica este unda caracterizata prin marimi de stare ale campului electromagnetic (intensitatea campului electric, intensitatea campului magnetic etc.), sau prin marimi electromagnetice integrale (tensiunea electrica, intensitatea curentului electric de conductie), exprimabile in functie de marimile de stare ale campului. Unda electromagnetica se propaga in spatiu cu viteze finite dependente de mediu. Campul electromagnetic poate pierde legatura cu conductorul in vecinatatea caruia a fost produs intial, insa unda electromagnetica isi continua miscarea in spatiu. Unda electromagnetica se poate produce chiar si in camp constant, atunci cand variaza in timp, fie permitivitatea mediului, fie permeabilitatea, fie amandoua. Una electromagnetica poarte in sine energia primita de la curentul din conductor. Cu alte cuvinte, un conductor parcurs de un curent alternativ radiaza energia electromagnetica in spatiu. Undele electromagnetice se propaga radial, in toate directiile, ca si razele de lumina, care sunt si ele tot unde electromagnetice. Cu cat puterea curentului alternativ din circuit este mai mare, cu atat va fi mai mare si energia radiata. Intr-o masura mai mare, radiatia depinde de frecventa. Daca frecventa creste de 2, 3, 4 ori etc., energia undelor electromagnetice radiate in unitatea de timp, creste respectiv de 4, 9, 16 ori etc. De aici rezulta ca, curentii de audio frecventa radiaza o cantitate neglijabila de energie, in comparatie cu curentii de radio frecventa. Pentru a obtine o radiatie de energie de mare putere si pentru a face posibila transmiterea undelor electromagnetice la distante mari, este necesar sa se utilizeze curenti de radio frecventa de ordinul sutelor de mii si milioanelor de herti, (hertul este frecventa unei oscilatii cu o perioada de o secunda). Undele electromagnetice se propaga liber si in vid. Undele electromagnetice se refracta ca si undele elastice, iar indicele de refractie are valoarea raportului vitezelor de propagare, in doua medii vecine. Ele pot fi reflectate, iar suprapunerea undei directe peste cea reflectata da nastere la unde stationare. Ca si la undele elastice, o caracteristica a propagarii o constituie lungimea de unda, care se defineste prin relatia: λ=VT in care, V este viteza de propagare a undelor electromagnetice T – perioada. Verificarea experimentala a existentei si structurii undelor electromagnetice prevazute de Maxwell, a fost facuta, pentru prima oara, de Hertz, intr-o serie de cercetari fundamentale (1888). De aceea undele electromagnetice se mai numesc si unde hertiene. Lumina constituie un caz particular al undelor electromagnetice, care se propaga in vid cu viteza de 3.1010 cm/s. In virtutea acestei teorii, corpurile emit lumina (energie radianta), care se propaga sub forma unor unde electromagnetice. Deoarece viteza de propagare in vid a luminii are aceeasi valoare, independent de lungimea de unda a radiatiei, rezulta ca diferitele radiatii pot fi caracterizate din punct de vedere calitativ prin lungimea lor de unda λ. Ansamblul radiatiilor luminoase aranjate in ordinea lungimilor de unda se numeste spectrul luminii. Spectrul radiatiilor vizibile se intinde in intervalul de lungimi de unda cuprins aproximativ intre λ = 4.10-5 cm si λ = 8.10-5 cm. Radiatiile luminoase se deosebesc intre ele din punct de vedere calitativ prin lungimea de unda,fiecarei lungimi de unda corespunzandu-i o anumita senzatie de culoare. 2. Unde radio Undele radio sunt produse cu ajutorul curentilor alternativi de radio frecventa. De aceea, undele radio se pot caracteriza prin frecventa lor care se exprima in kiloherti (k Hz), megaherti (M Hz)1) etc. Undele radio se pot caracteriza si prin lungimea de unda. Lungimea de una este distanta pe care unda o parcurge intr-o perioada, adica in decursul unei oscilatii complete. Cunoscand frecventa undelor si viteza lor de propagare, se poate determina lungimea de unda.
Lungimea de unda si frecventa sunt marimi invers proportionale. De aceea, lungimea unei unde electromagnetice se poate intotdeauna calcula impartind viteza de propagare (300.000 km/s) la frecventa. λ = 300 000 000 [m]. f (Hz) Gama undelor radio. Intregul spectru de unde radio se imparte intr-o serie de benzi diferite, in ce priveste propagarea si metodele de producere si de receptionare. In conformitate cu conventia internationala in vigoare se deosebesc urmatoarele game de unde: - undele lungi: lungimea lor de una este cuprinsa intre 30000 m si 3000 m, iar frecventele respective intre 10 k Hz si 100 kHz. In prezent aceasta gama de unde este foarte putin intrebuintata. Acum 40 – 50 de ani toate radiocomunicatiile erau executate exclusiv pe aceasta lungime de unda. Pentru realizarea unei comunicatii la mari distante cu acest gen de unde este nevoie de emitatoare puternice. In fara de aceasta, in gama undelor lungi este imposibila functionarea simultana a unui numar mare de statii, deoarece ele s-ar suprapune. Singurul avantaj al undelor largi este faptul ca bataia si audibilitatea lor raman neschimbate atat ziua cat si noaptea. 1
k Hz = 1000 herti. 1 M Hz = 1 000 000. - undele medii: ocupa gama 3000 – 200 m sau 100 – 1500 kHz. Dintre acestea, undele cuprinse intre 2000 si 200 m sunt destinate radiodifuziunii. Gama 2000 – 200 m este denumita gama de radiodifuziune. In afara statiilor de radiodifuziune, in gama 200 – 2000 m lucreaza un numar destul de mare de statii radiotelegrafice navale, militare si altele. - undele intermediare si scurte: prin unde intermediare se inteleg lungimile de unda cuprinse intre 200 – 100 m, care corespund frecventelor de 1500 – 300 kHz, iar prin unde scurte, lungimile de unda cuprinse in gama de 100 – 10 m, corespunzatoare frecventelor de 3000 – 30000 kHz. In practica insa, intreaga gama de unde de la 200 la 10 m este denumita deseori gama de „unde scurte” In prezent, in toate tarile lumii functioneaza pe unde scurte un mare numar de statii radio (radiodifuziune, radiotelegrafice si amatori). Aceasta gama reprezinta portiunea cea mai incarcata. - undele ultrascurte (metrice, decimetrice, centimetrice, milimetrice). Ele se impart in: - unde metrice, 10 – 1 m sau 30 – 300 MHz. - unde decimetrice, 100 – 10 cm sau 300 – 3000 MHz; - unde centimetrice, 10 – 1 cm sau 3000 – 30000 MHz; - unde milimetrice, 10 – 1 mm sau 30000 – 300000 MHz. Undele ultrascurte (UUS) cu frecvente ultrainalte sau foarte inalte, sunt indicate pentru comunicatii pe distante reduse relativ mici, pana la 100 – 200 km. Gama UUS permite functionarea unui numar foarte mare de statii, fara perturbari reciproce. 3. Circuite electrice oscilante Un circuit oscilant este alcatuit dintr-o bobina legata de un condensator. Fiecare circuit are si o rezistenta oarecare a carei influenta se va neglija, pentru moment. Circuitele oscilante produc oscilatii electrice. Daca se incarca condensatorul si apoi se conecteaza la bobina, descarcarea condensatorului va avea un caracter oscilant. Condensatorul din circuit poate fi incarcat, punand comutatorul pe contact, iar condensatorul se va descarca prin bobina. Procesul de descarcare a condensatorului si de producere a oscilatiilor in circuit se datoreaza variatiei tensiunii la bornele condensatorului si ale curentului in bobina. La inceput condensatorul este incarcat pana la diferenta maxima de potential, in timp ce curentul este nul. Imediat ce condensatorul incepe sa se descarce prin bobina circula un curent care creste treptat in intensitate. Forta electromotoare de autoinductie care ia nastere in bobina, impiedica curentul sa creasca prea repede. Pe masura cresterii curentului, tensiunea de pe armaturile condensatorului scade, deoarece un numar tot mai mare de electroni pleaca de la armatura incarcata negativ si acelasi numar de electroni trece la armatura pozitiva, micsorandu-si sarcina. La un anumit moment condensatorul este complet descarcat, moment in care curentul este maxim, iar tensiunea la bornele condensatorului este nula. Totusi, curentul nu inceteaza sa circule deoarece bobina lucreaza acum ca un generator (curentul este intretinut in circuit de forta electromotoare de autoinductie, care ia nastere in bobina la micsorarea curentului si are acelasi sens cu al curentului) si incarca condensatorul in sens invers. Electronii trec pe cealalta armatura, care se incarca din nou, treptat, cu deosebire ca semnul sarcinilor de pe armatura se schimba. Cand toti electronii trec pe cealalata armatura a condensatorului, curentul se anuleaza, iar tensiunea la borne este maxima, avand insa semnul invers si dupa exact acelasi interval de timp electronii se intorc de pe armatura de unde au pornit la inceput. Se restabileste astfel starea initiala a circuitului si procesul descris se repeta. Se poate spune ca electronii din circuitul oscilant au efectuat o oscilatie completa, dupa cre urmeaza a doua, a treia etc. In circuit se produc oscilatii electrice libere ale curentului si ale tensiunii. Ele vor fi elibere, deoarece procesul oscilator se produce singur, fara actiunea unei f.e.m. exterioare, datorita numai sarcinii initiale a condensatorului. Oscilatiile din circuit sunt periodice si au forma sinusoidala, adica reprezinta un curent alternativ sinusoidal.
In procesul oscilatiilor, electronii nu trec de fapt de la o armatura a condensatorului la cealalta. Cu toate ca viteza de propagare a curentului in circuitul electric este foarte mare si apropiata de viteza luminii, electronii se deplaseaza in conductoare cu o viteza foarte mica si anume cu fractiuni de centimetru pe secunda. De aceea, in timpul unei semiperioade, electronii pot parcurge numai o portiune mica a conductorului. Ei se deplaseaza de la armatura condensatorului, care a avut inainte sarcina negativa, la portiunea cea mai apropiata a conductorului de conexiune, iar pe cealalta armatura a condensatorului sosesc un numar egal de electroni din portiunea conductorului cea mai apropiata de aceasta armatura. Condensatorul incarcat are o cantitate oarecare de energie electrica potentiala, care este concentrata in campul electric ce se formeaza totdeauna in jurul oricarei sarcini electrice. Curentul electric are energie cinetica – energia electronilor in miscare. Dar miscarea electronilor este intotdeauna insotita de aparitia unui camp magnetic. In felul acesta, in conductorul de conexiune si conductorul bobinei se efectueaza numai o deplasare a electronilor pe o distanta mica. Oscilatiile electrice din circuit reprezinta o transformare periodica a energiei potentiale a campului electric, in energia cinetica a campului magnetic si invers. In momentul initial, energia potentiala este maxima, adica intreaga energie a circuitului, este concentrata in campul electric al condensatorului incarcat. Cand condensatorul se descarca si ia nastere un curent, energia potentiala scade; in schimb, creste energia cinetica – energia campului magnetic din bobina. In momentul cand curentul este maxim si intreaga energie a curentului este concentrata in campul magnetic, energia potentiala este nula. Dupa aceea, procesul are loc in sens invers: energia campului electric scade si apare din nou energia campului magnetic. Amplitudinea curentului, si a tensiunii oscilatiilor libere depinde, intr-un anumit circuit, numai de cantitatea initiala de energie, care a fost data circuitului. Fiecare circuit are o anumita frecventa a oscilatiilor libere, pe care le produce, numita frecventa circuitului. Cu cat inductanta si capacitatea sunt mai mari, cu atat frecventa lor este mai mica. Relatia intre frecventa circuitului, capacitate si inducatanta circuitului se exprima prin formula: F0 = ___1____ 2π √ LC sau T = 2 π √LC in care, f este frecventa curentului; T - perioada curentului; C – capacitatea circuitului; L – inductanta circuitului. Elementele circuitelor oscilante sunt: bobina cu inductanta fixa; bobina cu inductanta variabila; transformatoare de radio frecventa; condensatoare fixe; condensatoare variabile si semivariabile. 4. Antene si propagarea undelor radiofonice Antene. Prin antena se intelege un sistem de conductoare care serveste la captarea undelor radiofonice, in cazul receptiei, si la emisia undelor. Antena transforma energia undelor radiofonice de radio frecventa si transforma energia curentilor de radio frecventa in unde radio. Un circuit oscilant inchis care are parametrii redusi, in comparatie cu lungimea de unda radiaza foarte slab energia electromagnetica. Acest lucru poate fi aplicat in modul urmator: Daca un conductor prin care trece un curent de radio frecventa este indoit in forma de bucla, atunci in cele doua jumatati ale lui, curentii vor circula in sens opus. Undele radiate in aceste jumatati de conductor se afla in opozitie de faza si daca distanta d dintre conductoare este mica in comparatie cu lungimea de unda, atunci aceste unde se vor anihila reciproc in spatiu. Deci, un conductor in forma de bucla nu radiaza aproape de loc energie electromagnetica. Acelasi lucru se poate spune si despre un conductor in forma de dreptunghi sau despre o spira rotunda care au dimensiuni mult mai mici decat lungimea de unda. Constructiv este posibil sa se schimbe un circuit oscilant astfel incat in elementele lui separate curentii sa aiba acelasi sens. In acest caz undele radiate de aceste elemente nu se vor anula reciproc ci vor spori considerabil ca valoare. Aceasta se realizeaza prin transformarea circuitului inchis intr-un circuit deschis, numit antena. Antenele se impart in antene de receptie si antene de emisie. Principal nu exista nici o diferenta intre cele doua tipuri de antena, de aceea multe tipuri de antene de receptie pot fi utilizate la emisie si invers. Receptia undelor radio se bazeaza pe faptul ca undele electromagnetice actioneaza asupra tuturor conductoarelor aflate in calea lor, inducand in ele t.e.m. Campul electromagnetic al unei unde radio care a intalnit in calea ei un conductor face sa oscileze electronii din acest conductor, dand nastere unui curent de radio frecventa, care are aceeasi frecventa ca si curentul din antena emitatorului. Un tip special si foarte interesant de antena de receptie este asa numita antena cadru sau pe scurt cadru. Aceasta este alcatuita dintr-o bobina de dimensiuni mari si are proprietatea unei receptii dirijate. Cadrul asigura o receptie buna a undelor orientate de-a lungul planului sau, pe cand undele perpendiculare pe acest plan nu sunt deloc receptionate. Rotirea cadrului in jurul axului sau permite receptia optima a statiei dorite, libera de interferentele altor statii.
Propagarea undelor. Sub influenta razelor solare, a razelor cosmice si a altor radiatii care se indreapta spre pamant, din spatiul cosmic, aerul se ionizeaza. Aerul ionizat este un semiconductor si influenteaza foarte mult propagarea undelor radiofonice. In cursul propagarii undelor radio deasupra Pamantului se produc in atmosfera fenomenele aratate in continuare. Dispersiunea enegiei undelor. Undele pornesc de la antena emitatorului, in toate directiile si pe masura indepartarii lor, energia se distribuie pe o portiune din ce in ce mai mare de spatiu. In fiecare punct al spatiului, valoarea energiei devine din ce in ce mai mica. Aceasta micsorare a energiei se produce destul de repede. Singurul mijloc de a micsora dispersiunea energiei este radiatia dirijata, adica undele radiofonice sa fie dirijate intr-o singura directie, marindu-se astfel bataia. Absorbtia undelor. La trecerea undelor radio prin diferite medii, se observa o absorbtie a energiei lor. Absorbtia este foarte mica daca aerul este neionizat. Dielectricii solizi, semiconductorii si conductoarele absorb o cantitate de energie. In cursul propagarii undelor radio deasupra Pamantului, energia lor este absorbita atat de sol cat si de diferite obstacole locale ca: munti, dealuri, paduri, cladiri, linii electrice etc. Deosebit de puternica este absorbtia produsa de catre acoperisurile metalice, sau de catre stratul de pamant umed, deoarece acestea sunt bune conducatoare de electricitate. Reflectia si refractia undelor. Daca o unda se propaga intr-un mediu omogen, drumul ei va fi o linie dreapta; in locurile de trecere dintr-un mediul intr-altul, se observa insa fenomene de reflectie si de refractie. Aceste fenomene apar intotdeauna la limita de separatie dintre doua medii cu constante dielectrice diferite. Reflectia este fenomenul prin care o unda, la limita de separatie a doua medii, isi schimba directia dupa un anumit unghi. Refractia undelor se explica prin faptul ca in diferite medii viteza de propagare a undelor este diferita. Daca unda radiofonica intalneste un dielectric sau un semiconductor se produce absorbtie, reflectie si refractie. Difractia undelor. Fenomenul consta in inconjurarea diferitelor obstacole de catre unde. Daca undele radiofonice intalnesc in calea lor un obstacol sub forma unui munte, a unei cladiri mari etc., ele il pot inconjura, curbandu-se traseul. Cu cat unda este mai lunga, cu atat ea poate inconjura mai usor obstacolele. Unda nu poate „coti” brusc, sub un unghi drept un obstacol. Interferenta undelor. Prin interferenta se intelege insumarea intr-un anumit loc din spatiu, a doua sau mai multe unde, avand aceeasi frecventa sau frecvente apropiate. Undele provenite de la diferite statii pot interfera producand perturbatii. Orice antena de emisie radiaza doua grupuri de unde. Undele radiate orizontal se propaga de-a lungul suprafetei pamantului, in paturile inferioare ale atmosferei si se numesc unde de suprafata. Undele radiate sub un unghi oarecare fata de suprafata pamantului se numesc unde spatiale. Undele de suprafata sunt absorbite, in drumul lor, de sol si de diferite obiecte locale; undele spatiale sunt mia putin absorbite in paturile mai slab ionizate. Capitolul XII Electrocutarea Pericolele pe care le prezinta curentul electric se pot concretiza in: socuri electrice; arsuri; incendii si explozii. Primele doua produc cele mai numeroase aciidente efectuand corpul omenesc care conduce bine curentul electric. Corpul omenesc este format din diferite tesuturi, la randul lor compuse din celule, in interiorul carora se gaseste un lichid care contine saruri, in special clorura de sodiu. La trecerea curentului electric prin organism sarurile se descompun dand nastere la fenomene asemanatoare celor de electroliza. In urma descompunerii se produc substante ca de exemplu, clorul si hidroxidul de sodiu care sunt daunatoare organismului. Clorul, de exemplu, in reactie cu apa formeaza acid clorhidric si oxigen, fenomen care produce modificarea tesuturilor organismului. Celulele care alcatuiesc tesuturile organismului omenesc se comporta diferit la trecerea curentului electric, deoarece structura si componenta lor este diferita. Cea mai mare rezistenta electrica la trecerea curentului o are epiderma lipita de nervi si vase de sange. Epiderma in stare uscata poate fi considerata ca un izolator. Muschii si sangele au o rezistenta mica, in schimb oasele, ligamentele si grasimile au rezistenta mai mare. La o piele uscata valoarea rezistentei electrice poate sa ajunga si la 100.000 Ω; in lipsa stratului superficial al epidermei rezistenta electrica variaza intre 800 si 1000 Ω, iar in cazul indepartarii complete a epidermei de la 600 – 800 Ω. Rezistenta electrica la femei este mai redusa decat la barbati, la tineri mai scazuta ca la oamenii in varsta, la bolnavi, in special de inima, mai mica decat la cei sanatosi, la cei obositi mai scazuta decat la odihniti. Rezistenta electrica a corpului omenesc variaza intr-un interval destul de larg, in functie de o serie de factori, care vor fi analizati in continuare. Umiditatea pielii. Aceasta contribuie destul de mult la micsorarea rezistentei electrice a organismului omenesc. Chiar si transpiratia influenteaza valoarea rezistentei electrice. Grosimea pielii. Rezistenta electrica creste cu grosimea pileii (talpa piciorului, mainile batatorite etc.). Marimea suprafetei de contact a pielii cu conductoarele electrice sau cu partile metalice sub tensiune. Cu cat suprafata de contact este mai mare cu atat rezistenta electrica scade; la micsorarea suprafetei de contact rezistenta electrica creste. Rezistenta electrica, in medie, pe o suprafata de contact de 0,75 – 30 cm² este de 8000 Ω. Presiunea de contact influenteaza asupra valorii rezistentei electrice numai de la 1 kgf/cm² in sus. Intensitatea curentului. O data cu cresterea intensitatii curentului rezistenta electrica a organismului omenesc scade, datorita incalzirii pielii din cauza cresterii curentului, fapt ce duce implicit la aparitia unei transpiratii intense.
Curentii electrici cu intensitati de 0,01 – 0,015 A provoaca dureri si stari convulsive, astfel ca omul nu se poate elibera singur in urma atingerii circuitului electric. Limita maxima a curentilor nepericulosi este de 10 mA pentru curentul alternativ si 50 mA pentru curentul continuu. Durata de actiune a curentului are o deosebita importanta asupra rezistentei electrice a corpului omenesc. La o actiune mai indelungata a curentului electric, stratul superior al pielii se incalzeste avand drept urmare o scadere a rezistentei si deci o marire a pericolului de electrocutare. Pericolul ce mai mare apare la trecerea curentului electric prin inima. In acest caz inima inceteaza sa mia lucreze, circuitul sanguin se intrerupe si omul moare asfixiat. Pericolul este deosebit de mare daca trecerea curentului coincide cu faza de contractare a inimii. La o durata scurta a actiunii curentului electric, mai mica de o secunda, coincidenta poate sa nu aiba loc si in acest caz curentul este nepericulos chiar pentru intensitati pana la 10 A. Tensiunea curentului electric. Cu cat tensiunea la care este supus omul este mai mare cu atat socul electric, adica pericolul electrocutarii este mai mare. Statisticile citeaza cazuri de electrocutare si la tensiuni sub 24 V si chiar la tensiuni neasteptat de mici. Natura curentului electric. Rezistenta electrica a corpului omensc este mai mare la trecerea curentului continuu decat la cel alternativ. Curentul continuu provoaca o contractie puternica a muschilor, iar actiunea lui este in special electrolitica si termica. Frecventa curentului modifica rezistenta electrica a corpului omenesc. Pe masura ce frecventa creste, rezistenta electrica scade. Frecventele de 50 – 60 perioade pe secunda sunt cele mai periculoase. Curentii de radio frecventa de 500.000 perioade pe secunda nu prezinta pericol pentru corpul omenesc. Drumul parcurs de curent prin organism. Acest parcurs este determinat in principal de punctele de contact ale organismului cu surse de curent. In tabela 15 este indicata cantitatea de curent ce trece prin inima, in cazul diferitelor trasee ale curentului electric prin corpul omenesc. Tabela 15 Cantitatea de curent care trece prin inima Circuitul curentului Mana – mana Mana stanga – picioare Mana dreapta picioare Picior – picior
Cantitatea de curent ce trece prin inima % 3,3 3,7 6,7 0,4
Imprejurarile in care se pot produce accidente de natura electrica: - La atingerea conductoarelor electrice neizolate, sub tensiune sau a celor cu izolatie deteriorata; contactul cu aceste conductoare poate surveni prin atingere, din neglijenta, prin cadere sau prin intermediul jetului compact de apa. - La atingerea elementelor metalice ale instalatiei care se gasesc intamplator sub tensiune. - La producerea arcurilor electrice, in cazul cand o persoana se apropie prea mult de o instalatie electrica sub o tensiune mai mare de 1 kV. - La patrunderea curentului de inalta tensiune in instalatiile de joasa tensiune. - La circulatia pe o portiune de teren in care exista diferente de potential intre diferitele puncte ale suprafetei solului (tensiunea de pas). Pe timpul actiunii de stingere a incendiilor in sectiile productive, la diferite instalatii si utilaje, producerea unor accidente de natura electrica mai este posibila si in urmatoarele situatii: - atingerea cablurilor rupte, aflate sub tensiune; - lipsa punerilor la pamant a diferitelor utilaje; - lipsa mijloacelor de protectie individuala; - lipsa semnalelor de prevenire a pericolului. Cel mai mare pericol il prezinta contactul cu doua faze deoarece organismul omenesc se gaseste sub intreaga tensiune a curentului electric, atingerea retelelor electrice avand loc in doua puncte. Circuitul electric se inchide direct prin corpul omenesc, fara a mai trece prin alte materiale izolante cum ar fi incaltamintea, pardoseala din lemn etc. La contactul cu o singura faza si conductorul neutru pus la pamant, intensitatea curentului care actioneaza asupra organismului omenesc este data de relatia: I = _Uf_ = __U__ R R√ 3 In acest caz circuitul electric este: conductor de faza – corpul omenesc – conductor neutru. Un mare pericol exista si in cazul contactului cu conductoarele sub tensiune la atingerea unei faze in sistemul cu conductorul netru izolat. Curentul care trece prin organismul omenesc se inchide prin izolatie si pamant, in raport cu capacitatea celor doua faze. Intensitatea curentului depinde de tensiunea nominala a retelei, de rezistenta organismului omenesc si de rezistenta izolatiei, conform relatiei: I = _____U______ √ 3 Rh + _Riz_
√3 Tensiunea de atingere este partea din tensiunea instalatiei de legare la pamant la care poate fi supus omul aflat la o distanta pe orizontala de 0,8 m fata de obiectul atins. Tensiunea de pas: Tensiunea (Up) dintre doua puncte la suprafata pamantului, din apropierea unei prize de pamant, aflate pe directia gradientului de potential al prizei, departate intre ele cu lungimea unui pas (0,80 cm). Deci omul care atinge cu picioarele doua puncte de pe sol, aflate la o distanta pe orizontala cand prinza de pamant trece un curent electric, este supus actiunii tensiunii de pas. Pericolul tensiunii de pas apare in special la instalatiile electrice de inalta tensiune, in cazul cand un conductor electric se rupe in urma unui incendiu sau dintr-o alta cauza si vine in contact cu pamantul. Pe o anumita portiune in jurul locului de contact apare tensiunea de pas, datorita scurgerii curentului in pamant, tensiune care scade pe masura ce ne indepartam de locul unde conductorul a atins pamantul. De exemplu, la 220 000 V, tensiunea scade lent de la locul unde conductorul a atins pamantul, in functie de conductivitatea pamantului, si la o distanta de 10 – 15 cm ajunge aproape de zero; la o tensiune sub 1000 V aceasta distanta poate sa ajunga pana la 4 – 5 m. Daca o persoana se deplaseaza pe aceasta portiune de teren, prin ea trece un curent electric, de la punctul cu tensiune mai mare, catre cel cu tensiune mai mica. Diferenta de tensiune dintre locurile unde picioarele ating pamantul poate fi destul de mare. Persoana atinsa de tensiunea de pas sufera un accident prin electrocutare. Valoarea acestei tensiuni depinde de diferenta de tensiune dintre locurile atinse de picioare si va fi cu atat mai mare cu cat pasul va fi mai mare. Pentru inlaturarea pericolului tensiunii de pas este necesar sa se evite deplasarea pe o raza de 15 – 20 m in jurul locului unde a cazut un conductor de inalta tensiune, pana la luarea masurilor de intrerupere a curentului electric. Determinarea valorilor admise ale tensiunilor de atingere si de pas. Limitele admise ale tensiunilor de atingere si de pas sunt in functie de tensiunea ude lucru, de felul instalatiei electrice, de conditiile de exploatare a acesteia si de timpul de deconectare in cazul producerii unui accident. Experientele si practica au dovedit ca un curent nepericulos pentru om este acela care nu produce fibrilatia inimii. Curentul Ih care poate fi suportat de om fara pericole, variaza in functie de timpul t, care se scurge de la producerea defectului si pana la deconectare. Acest timp trebuie sa fie cat mai redus posibil, nedepasind 3 s. Ih = 0, 165 √t In cazul actiunii de lunga durata a curentului (peste 3 s) se considera ca nu este posibila producerea fribilatiei inimii, la valori ale curentilor sub 50 m A. Limita periculoasa la care omul se poate elibera singur de sub actiunea curentului electric este stabilita la 10 m A, in cazul retelelor de curent alternativ si de 40 m A la cele de curent continuu. Masuri imediate in urma electrocutarii.Este indicat sa se ia toate masurile de prevenire a electrocutarilor pentru ca exista la ora actuala suficiente mijloace de protectie individuala care asigura o buna desfasurare a operatiilor de stingere a incendiilor (prajina de lemn, eventual cangea cu maner de lemn, clestele cu manere izolatoare, manusi de protectie, cizme izolante, covorase izolatoare, lampi de control, voltmetru, indicator de tensiune, centura de siguranta, scari portative, ochelari de protectie etc.) In caz ca totusi electrocutare se produce trebuie luate urmatoarele masuri: -intreruperea tensiunii inainte de a pune mana pe accidentat; -desfacerea si indepartarea accidentatului de instalatia electrica care nu a putut fi scoasa din tensiune; -luarea masurilor de revenire. Daca electrocutarea s-a produs de un curent sub 220V si acesta nu a fost intrerupt se poate apropia de victima, tinand seama de urmatoarele: cel care intervine nu trebuie sa se aseze cu picioarele in teren umed; se vor folosi manusi de cauciuc, iar in liosao sapca de postav, manecile hainei proprii sau se vor infasura mainile intr-o haina uscata Pentru picioare se vor folosi cizme de cauciuc, o scandura, un covor, carton, insa bine uscate. Dupa aceease vor taia conductoarele electrice cu unelte speciale sau cu un toporas cu coada de lemn uscat. La curentul de inalata tensiune nu se va apropia de victima decat dupa ce exista convingerea de intrerupere a curentului din retea. In unele situatii cand nu este posibila deprinderea sigura si rapida a accidentatului se scurtciruiteaza conductoarele liniei prin aruncarea peste ele a unui conductor pus la pamant.. Persoana electrocutata desprinsa de conductor se va transporta de la locul accidentului si i se va acorda primul ajutor :se va scoate haina, se va desface gulerul, cureaua, se va curata gura de sange si se va face respiratie artificiala. PARTEA A TREIA REZISTENTA MATERIALELOR Capitolul XIII Comportarea materialelor sub actiunea fortelor 1. Obiectul rezistentei materialelor
Rezistenta materialelor studiaza, in anumite ipoteze simplificatoare, comportarea reala a materialelor sub actiunea sistemului de forte care le solicita, propunandu-si sa rezolve urmatoarele probleme: -determinarea eforturilor interioare si a deformatiilor care iau nastere sub actiunea fortelor exterioare ; -dimensionarea noilor organe de masini sau elemente de constructie, adica alegerea materialelor si calculul dimensiunilor sectiunii transversale a fiecarei piese sau element, astfel incat sa reziste solicitarilor in conditii bune ; -verificarea organelor de masini, a elementelor de constructie sau a constructiilor in ansamblu, pentru a vedea daca acestea vor rezista fortelor care actioneaza asupra lor si a aprecia gradul de siguranta pe care-l prezinta la actiunile normale, extraordinare sau catastrofale previzibile. 2. Fortele care actioneaza asupra constructiilor In functie de destinatia pe care o au in ansamblul constructiei, organele de masini si elementele de constructie sunt supuse actiunii unor forte sau cupluri. In studiul rezistentei materialelor, fortele se impart in forte exterioare si forte interioare. Fortele exterioare sunt provocate de actiunea corpurilor inconjuratoare asupra piesei considerate. Dupa felul cum se exercita, fortele exterioare pot fi : forte de suprafata si forte de masa. Fortele de suparafata se aplica pe anumite portiuni ale suprafatei exterioare a corpului si se impart la randul lor i sarcini si reactiuni.Prin denumirea generala de sarcini, se inteleg acele forte sau efecte care se aplica efectiv piesei, ca rezultat al contactului direct cu corpurile vecine sau al rolului pe care piesa trebuie sa-l joace in ansamblul constructiei.Sarcinile verticale se numesc incarcari. Piesa preia efectele sarcinilor care-i sunt aplicate si le transmite altor piese invecinate prin intermediul reazemelor.Fortele de legatura ce iau nastere in punctele de reazem ale piesei, se numesc reactiuni. Fortele de masa (de volum) sunt distribuite in intreaga masa a materialului si provin din greutatea proprie, actiunea fortelor de inertie, variatia temperaturii, a fortei electromagnetice etc. Sarcinile care se iau in considerare la dimensionarea unui element de rezistenta sau a unei parti de constructie, se pot clasifica dupa diferite criterii. Astfel, dupa modul cum actioneaza asupra constructiilor, sarcinile pot fi :sarcini fundamentale, sarcini accidentale, sarcini extraordinare. Daca ne referim la modul de actionare in timp, se deosebesc sarcini statice si dinamice. Sarcinile statice sunt acelea care se aplica lent, progresiv, crescand de la zero pana la valoarea finala si ramanand apoi constante .Desi durata in care are loc cresterea sarcinii poate fi destul de scurta, fortele de inertie nu se iau in calcul. Sarcinile dinamice actioneaza cu viteza asupra constructiilor .dupa modul de variatie a vitezei se disting sarcini aplicate prin soc (actioneaza brusc, transmitand constructiei intraga lor intensitate, de exemplu lovitura unui corp in cadere) si sarcini variabile periodice (variaza in mod continuu intre o valoare maxima si una minima, sarcinile putand apare in cazul diferitelor piese ce executa miscari periodice de translatie sau rotatie de exemplu la arbori, tije de piston, arcuri de supape etc. precum si in cazul masinilor ale caror mase sunt neechlibrate. La calculul constructiilor civile si industriale, precum si la calculul constructiilor metalice, determinarea sarcinilor se face dupa valori unitare prevazute in standarde. Forte interioare. Intre particulele materiale care compun un corp continuu se exercita anumite forte de atractie sau de respingere.Aceste forte sunt datorate interactiunii complexe a electronilor si nucleelor dintr-o molecula precum si interactiunii lor cu electronii si nucleele din moleculele vecine. Valoarea fortei F care se exercita intre atomii aceleiasi molecule variaza in functie de distanta „r” care exista intre ei. Atunci cand sunt la distante mai mari atomii se atrag, iar cand sunt inghesuiti unul in altul, la distante micise resping.Exista insa o distanta „r0”, care se numeste distanta de echilibru, situata pe grafic in punctul in care curba intersecteaza axa. Cand atomii sunt la distanta „r0” unul de celalalt, forta de atractie si cea de respingere se anuleaza reciproc, iar forta de interactiune (rezultanta) devine zero. Distantele de echilibru difera dupa natura atomilor si temperatura materialului. Fortele de interactiune fac ca particulele sa aiba o anumita energie potentiala. La distanta „r0” energia potentiala este minima si atomii se afla in pozitie de echilibru stabil.Orice solicitare care se exercita are ca efect indepartarea sau apropierea atomilor,insotita de tendinta acestora de a reveni in pozitia initiala de echilibru stabil. Cand asupra corpului actioneaza o forta exterioara, acesta se deformeaza. Pozitia atomilor schimbandu-se, se modifica corespunzator si fortele de interactiune,deci si starea de echilibru interior. In interiorul materialului iau nastere forte suplimentare, numite forte elastice, care se opun tendintei de deformare a corpului sub actiunea fortelor exterioare. Atata timp cat deformatiile nu depasesc anumite limite si nu se produce ruperea materialului, in interiorul corpului se stabileste un nou echilibru. In ansamblul lor, noile forte interioare echilibreaza sistemul de forte exterioare, care actioneaza asupra corpului. Starea in care se gaseste corpul supus actiunii unui sistem de forte in echilibru se numeste solicitare, iar proprietatea materialului de a preloa solicitarile si de a se opune deformatiilor se numeste rezistenta. Fortele interioare pot fi puse in evidenta sugestiv prin metoda sectiunilor. Se considera, de exemplu o sectiune AA’ BB’ intr-o bara asupra careia actioneaza un sistem oarecare de forte F1 si F2. Fortele interioare care se exercita de o parte si de cealalta a acestei sectiuni, impiedica separarea (ruperea) ei in doua bucati. Rezultanta fortelor interioare din sectiune, care asigura echilibrul elastic se compune dintr-o forta R si un cuplu M. Aceste marimi reprezinta actiunea pe care partea a doua a corpului o exercita asupra primei parti. Ele poarta denumirea de eforturi si se obtin prin reducerea la centrul de greutate al sectiunii, a sarcinilor care actioneaza de aceeasi parte a acestei sectiuni. Fiecare din eforturi, luat independent, exercita asupra corpului o solicitare simpla. Solicitarile simple sunt:
- intinderea (tractiunea) – solicitarea produsa de forte normale egale care actioneaza divergent pe cele doua fete opuse ale piesei; - compresiunea – solicitarea produsa atunci cand fortele sunt convergente, normale si egale; - taierea (forfecarea) – solicitarea produsa intr-un corp de catre fortele taietoare; - rasucirea (torsiunea) – solicitarea produsa de momentul de rasucire, care actioneaza in planul sectiunii; - incovoierea – solicitarea produsa intr-o bara de momentul incovoietor, care actioneaza in sectiune. Prezenta simultana in bara a doua sau mai multor din solicitarile simple aratate mai sus determina o solicitare compusa. 3. Eforturi unitare Aplicarea concentrata a eforturilor in centrul de greutate al barei este o reprezentare conventionala. In realitate fortele interioare se exercita pe intreaga suprafata a sectiunii, fiind distribuite in mod continuu dupa anumite legi. Se considera un punct M si un element ∆A din suprafata sectiunii transversale a barei situata in jurul acestui punct. Se noteaza cu ∆F efortul elementar de suprafata ∆A este suficient de mic, tinzand catre zero, efortul poate fi considerat uniform distribuit pe suprafata ∆A, iar rezultanta fortelor interioare ∆F poate fi aplicata in centrul de greutate al elementului de suprafata si aria corespunzatoare poarta denumirea de efort unitar sau tensiune si este dat de expresia: _ _ p = ∆F, cand ∆A este foarte mic ∆A Cum prin punctul M se pot duce o infinitate de sectiuni cu orientari diferite, efortul unitar (tensiunea) se asociaza totdeauna unei anumite fete. _ Efortul unitar p avand in general o directie oarecare poate fi descompus in doua componente: o componenta dupa normala la sectiune – efortul unitar normal – (tensiunea normala) si o componenta continuta in planul sectiunii, efortul unitar tangential (tensiune tangentiala). Eforturile unitare in fiecare punct reprezinta intensitatea fortelor interioare care se dezvolta in interiorul unui corp, ca urmare a deformatiilor produse de fortele exterioare. Efortul unitar normal se noteaza cu σ. El se considera pozitiv cand are sensul de la partea de corp pastrata spre exterior, cand partea inlaturata exercita deci asupra celei ramase un efect de intindere, si negativ cand are sensul inspre interiorul partii pastrate, cand asupra acesteia se exercita un efect de compresiune. Efortul unitar tangential se noteaza cu τ si reprezinta un efect de taiere, forfecare si alunecare. In Sistemul International de Unitati, efortul unitar (tensiunea) se masoara in newtoni pe metru patrat (N/m²) in daN/cm² sau daN/mm² etc. In sistemul tehnic utilizat pana in prezent marimea tensiunii se exprima in kgf/cm², kgf/mm² sau tf/m² etc. Eforturile unitare σ si τ sunt elemente de baza ale studiului rezistentei materialelor si elementelor de constructie. 4. Deformatii Sub actiunea sarcinilor corpurile isi schimba forma sau dimensiunile, adica se deformeaza. Deformatiile depinde de mai multi factori intre care: forma si dimensiunile corpului, marimea si modul de aplicare a sarcinilor; caracteristicile mecanice ale materialelor. Deformatiile pot fi produse si de alti factori care au un efect analog, cum sunt de exemplu variatiile de temperatura. Deformatiile pot fi elastice sau permante (plastice). Orice deformatie poate sa cuprinda o deformatie liniara (lungire sau scurtare) si o deformatie unghiulara (lunecare). Raportul dintre lungire (scurtare) si lungimea initiala poarta denumirea de lungire specifica (scurtare specifica). Variatia masurata in radiani, a unghiului format intre doua drepte perpendiculare de pe suprafata sau din interiorul unui corp care se deformeaza se numeste lunecare specifica (deformatie unghiulara specifica). In cazul deformarii corpului, cea mai mare parte a punctelor materiale din interiorul sau isi schimba pozitia. Drumul parcurs de partile corpului in cursul deformarii poarta numele de deplasare. 5. Relatia dintre eforturile unitare si deformatii Eforturile unitare normale iau nastere ca o consecinta a lungirilor (scurtarilor) specifice, adica a miscarii de translatie, iar eforturile unitare tangentiale ca o consecinta a lunecarii, adica a miscarii de rotatie. Ca urmare, intre valorile deformatiilor specifice si ale eforturilor unitare specifice exista o stransa dependenta. Relatiile ce existe intre aceste doua grupe de marimi fundamentale se determina pe cale experimentala (prin incercari). Incercarile se executa in laboratoare pe probe care sunt supuse la solicitari simple si carora li se masoara deformatiile. Se pot trasa in acest fel curbe care arata relatia dintre eforturi si deformatii. De exemplu, pentru stabilirea relatiei dintre eforturile unitare si deformatii la oteluri moi de constructie solicitate la intindere, se incearca epruvete cu sectiune transversala circulara.
Incercarea consta in aplicarea unei forte de intindere a carei valoare este marita lent pana in momentul cand epruveta se rupe. Relatia dintre forta de intindere N si lungirea ∆l = l – l0, este reprezentata intr-o diagrama. 6. Comportarea materialelor sub actiunea statica a fortelor Diagrama este valabila numai pentru dimensiunile epruvetei incercate. Daca se schimba dimensiunile epruvetei se obtin alte valori. Calculandu-se insa valorile efortului unitar si ale lungirii specifice ε pentru diferite marimi ale fortei de intindere N se poate construi o diagrama care nu mai depinde de dimensiunile epruvetei. Efortul unitar si lungirea specifica se calculeaza cu relatiile: σ = N si ε = ∆ l A0 l0 in care A0 este aria sectiunii transversale initiale a epruvetei. Graficul astfel obtinut reprezinta curba caracteristica a materialului. Curba caracteristica arata cum se comporta materialul sub actiunea statica a fortelor si ea are mai multe zone, dintre care o portiune in linie dreapta numita zona de proportionalitate. In aceasta zona lungirile specifice ε sunt riguros proportionale cu eforturile unitare normale σ; ordonata punctului, σp reprezinta limita de proportionalitate. Pe portiunea AB, situata deasupra limitei de proportionalitate, deformatiile cresc ceva mai repede decat eforturile, carateristica luand forma unei curbe. Atat pe zona OA cat si pe AB, materialul are o comportare elastica. Dupa incetarea actiunii fortei N, materialul revine la lungimea initiala. Valoarea efortului unitar corespunzatoare punctului B, σ e poarta numele de limita de elasticitate. Pana la aceasta limita deformatiile sunt mici si pot fi considerate practic proportionale cu eforturile unitare si total reversibile. In natura materialele nu sunt practic elastice, ele sufera anumite deformatii remanente chiar si atunci cand sunt incarcate cu sarcini mici. De aceea practic se defineste ca limita de elasticitate tehnica valoarea efortului unitar normal caruia, dupa descarcarea epruvetei, ii corespunde o deformatie remanenta mai mica de 0,01%. Aceasta limita conventionala se noteaza cu σ0,01 (σe = σ0,01). Dupa depasirea limitei de elasticitate σe, materialul capata si deformatii ireversibile. La descarcarea epruvetei o parte din deformatie persista, este remanenta (plastica). Incepand din punctul B, deformatiile cresc repede in raport cu eforturile unitare, curba inclinandu-se din ce in ce mai mult pana cand se apropie de orizontala in punctul C. De la acest punct, materialul continua sa se deformeze fara ca forta exterioara sa mai creasca. Valoarea efortului unitar σc, la care materialul continua sa se deformeze desi sarcina ramane constanta, se numeste limita de curgere. La unele materiale acest palier nu exista si ca urmare se defineste ca limita de curgere tehnica a acestora, valoarea efortului unitar, caruia ii corespunde o lungire remanenta conventioanala de 0,2% (σc = σ0,2). Dupa depasirea limitei de curgere σc, deformatiile remamente intrec mult ca valoare pe cele elastice. Pornind din punctul D, urmeaza o zona de intarire (autoconsolidare). Materialul isi recapata capacitatea de rezistenta la intindere, iar curba caracterisitica are un nou traseu ascendent pana la punctul E. Deformatiile cresc in aceasta zona mai repede decat eforturile. Valoarea maxima a efortului unitar σr poarta numele de rezistenta la rupere a materialului. Cand sarcina aplicata se apropie de valoarea maxima (Nmax) apare o gatuire a epruvetei, care se accentueaza pana cand se produce ruperea. Lungirile specifice nu mai sunt egale de-a lungul epruvetei, ele devenind mult mai mari in zona strictiunii. Dupa aparitia gatuirii curba caracteristica are un traseu descendent pana in punctul F cand materialul se rupe. Deformatia corespunzatoare punctul F se noteaza cu εr si reprezinta lungimea specifica la rupere. In mod uzual lungirea specifica la rupere se exprima in procente si se noteaza cu δ urmat de un indice (5 sau 10), care reprezinta raportul l0/d0. Masurand diametrul sectiunii de rupere si calculand aria sectiunii transversale a epruvetei dupa rupere (Ar) se determina gatuirea specifica cu expresia: ψ = A0 – Ar A0 Sau in procente cu expresia: Z = A0 – Ar ∙ 100% A0 Experienta arata ca odata cu alungirea barei in timpul solicitarii apare chiar si in zona de elasticitate, o micsorare a ariei sectiunii transversale numita contractie tranversala. Aceasta contractie este proportionala cu lungirea specifica ε0. Raportul de proportionalitate se numeste coeficient de contractie transversala si se noteaza cu μ. Astfel, o daca o bara de lungime l, si grosime a este supusa la intindere, ea capata lungimea l1 = l (1 + ε) si grosimea α1 = a (l - με) Materialele se incearca nu numai la intindere ci si la celelalte solicitari simple. Materialele cu structura cristalina, au comportarea la compresiune practic identica cu cea la intindere. Curbele caracteristice de intindere si compresiune pot fi reprezentate pe acelasi grafic. In cazul solicitarilor la compresiune apare fenomenul de deformare transversala, denumit umflare transversala.
Daca se face incercarea materialului la rasucire, de exemplu a unui otel, relatie dintre momentul de rasucire M si unghiul de rasucire ∆φ, respectiv dintre efortul unitar de rasucire τ si lunecarea specifica γ, se exprima cu ajutorul unei curbe caracteristice similara celei de intindere (fig. 118). Aceasta curba are puncte care marcheaza o limita de proportionalitate τp, o limita de elasticitate τe, o limita de curgere τc si o rezistenta la rupere τr. Marimile amintite mai sus (limita de proportionalitate, limita de elasticitate, limita de curgere, alungirea specifica la rupere, gatuirea specifica la rupere) dau informatii deosebit de pretioase cu privire la rezistenta si deformabilitatea materialului si poarta denumirea de caracteristici mecanice. Curbele caracteristice permit clasificarea materialelor in doua mari grupe: materiale care respecta legea lui Hooke si materiale care nu respecta aceasta lege. 7. Elasticitatea - Legea lui Hooke Proprietatea unui material de a se deforma su influenta actiunilor fizice sau mecanice, care produc eforturi si de a reveni la forma si dimensiunile initiale dupa inlaturarea acestor actiuni se numeste elasticitate. Din punctul de vedere al rezistentei materialelor, elasticitatea este considerata ca fiind proprietatea fundamentala a materialelor. Din paragrafele anterioare a rezultat ca atunci cand materialul de constructie este solicitat sub limita de elasticitate, deformatiile dispar odata cu inlaturarea cauzei care le-a produs. Dependenta dintre eforturile unitare σ si ε poate fi exprimata analitic prin formula generala: σ = f (ε) In zona de proportionalitate pentru portiunea rectilinie OA a curbei caracteristice a materialelor cristaline se poate scrie ecuatia: σ=Eε in care: E = f’ (ε) = tg α, este o constanta care reprezinta coeficientul unghiular al dreptei OA, numit modul de elasticitate. Realtia σ = E ε poarta numele de legea lui Hooke si arata ca pana la limita de proportionalitate lungirile specifice sunt proportionale cu eforturile unitare normale. Ea reprezinta legea fundamentala a teoriei elasticitatii. Modulul de elasticitate E se exprima in aceleasi unitati ca si efortul unitar normal σ, adica in N/cm² sau in N/mm2 (kgf/cm² sau kgf/mm²). El da indicatii despre deformarea piesei in functie de elasticitatea materialului. Din relatia σ = E ε se vede ca ε = σ/E, deci deformatia este cu atat mai mica cu cat valoarea lui E este mai mare si invers. Materialele elastice au modulul de elasticitate mic, iar cele mai putin elastice modulul de elasticitate mare. Modului de elasticitate caracterizeaza rezistenta pe care materialul o opune deformatiei elastice la intindere. Valorile medii pentru modului de elasticitate longitudinal al unor materiale de constructie uzuale sunt date in tabele in lucrari de specialitate. Daca materialul e supus la incercarea de rasucire, pentru partea rectilinie OA a curbei caracteristice se poate scrie ecuatia: τ=G∙γ in care G este o constanta care poarta numele de modul de elasticitate transversal. Aceasta relatie reprezinta legea lui Hooke pentru solicitarea la rasucire. Valorile aceste constante pentru diferite materiale sunt date de asemenea in tabele. Experienta a aratat ca numai unele materiale cum sunt, de exemplu otelurile, au un traseu initial rectiliniu al curbei caracteristice si respecta legea lui Hooke. Curbele caracteristice ale altor materiale nu au o portiune rectilinie, nerespectand legea lui Hooke. In practica insa, legea lui Hooke se aplica si acestor materiale, atribuindu-li-se in mod conventional un modul de elasticitate, care se determina fie asimiland portiunea initiala a curbei caracteristice cu o dreapta, fie masurand panta tangentei la curba caracteristica, in punctul corespunzator efortului unitar real din piesa.
8. Plasticitatea Posibilitatile de comportare perfect elastica a materialelor sunt limitate. Dupa depasirea limitei de curgere, materialul de constructie capata o deformatie elastica si o deformatie permanenta numita deformatie plastica. Proprietatea materialelor de a suporta deformatii permanente, fara ruperi macroscopice, cand solicitarea depaseste limita de elasticitate, se numeste plasticitate. Proprietatile plastice ale materialelor utilizate in constructii prezinta o deosebita importanta. Astfel proprietatile plastice ale otelurilor stau la baza unor operatii cum sunt fasonarea armaturilor, nituirea, ecruisarea etc. 9. Factorii de care depind caracteristicile mecanice ale materialelor
Caracteristicile mecanice difera de la un material la altul. Dintre caracteristicile materialelor in special rezistenta si alungirea la rupere prezinta o importanta deosebita. Caracteristicile otelurilor variaza in limite largi nu numai in functie de tratamentele termice ce le-au fost aplicate ci si de compozitia lor chimica. Un otel moale cum este otelul laminat OL 32 are σr = 32 ... 40 kgf/mm², in timp ce otelul carbon OL 70 are σr = 70 kgf/mm². Lungimea specifica la rupere a otelurilor carbon variaza intre 33% si 10%. Otelurile mai rezistente au o lungire mai redusa la rupere. Anumiti factori pot modifica in mod real sau numai aparatent caracteristicile mecanice ale aceluiasi material. Astfel, dimensiunile epruvetei si viteza de incercare a ei pot modifica in mod aparent caracteristicile mecanice. Alti factori cum sunt temperatura, ecruisarea si timpul, pot modifica insa in mod real, in limite importante, caracteristicile mecanice. In special, variatia temperaturii poate avea ca efect modificari sensibile ale caracteristicilor mecanice ale unor materiale. Astfel, caracteristicile mecanice ale unui otel care la 20ºC are σr = 42 kgf/mm² variaza cu temperatura. Rezistenta la rupere creste avand un maximum la 200 ... 300ºC si coboara apoi repede incepand de la 400ºC. La temperaturi foarte scazute rezistentele de rupere ale otelurilor cresc. 10. Ecruisarea Reprezinta un fenomen de ridicare a limitei de elasticitate printr-un tratament mecanic executat la rece. Solicitand la intindere un material, de exemplu un otel, peste limita de elasticitate σe, pana la efortul unitar σe1 si apoi descarcandu-l incet, el va capata o lungire specifica εM formata prin doua parti: lungirea elastica εe, care se anuleaza prin descarcare si lungirea plastica εr. Daca dupa descarcarea totala otelul este solicitat din nou la intindere, curba lui caracteristica incepe cu linia NM si continua pana la rupere pe portiunea MEF. Se constata deci ca la o noua incarcare materialul are o nou limita de elasticitate σe1, mai mare decat cea de la prima incarcare (σe1 > σe). In acelasi timp materialul isi micsoreaza plasticitatea, devenind mai dur si mai fragil. Acest tratament mecanic executat la rece poarte numele de ecruisare. Daca bara de otel ecruisata prin intindere este supusa la compresiune, ea va avea limita de elasticitate si de curgere la compresiunile inferioare celor de intindere. Ecruisarea este folosita industrial pentru imbunatatirea calitatii otelurilor pentru beton armat si beton precomprimat prin laminarea lor la rece, trefilare si torsionare. Efectul ecruisarii poate fi anulat printr-un tratament termic de recoacere, lucru care se poate intampla frecvent si in conditiile temperaturilor ridicate ingresitrate la incediile de amploare. 11. Comportarea materialelor in timp Diagrama caracteristica a materialelor arata deformatia instantanee a materialului, care apare imediat dupa aplicarea sarcinilor. In realitate, la unele constructii exista un anumit proces de deformare continua sub sarcina, in timp mai indelungat, in special la temperaturi ridicate. Deformarea in timp a unui material sub solicitari constante, carora le corespund tensiuni mai mici decat limita de curgere, se numeste fluaj (curgere lenta). Fenomenul de curgere lenta este de aceeasi natura cu fenomenul cunoscut sub denumirea de relaxarde care consta in scaderea in timp a eforturilor unitare datorite deformatiilor primite de material, atunci cand aceste deformatii raman constante. Ca urmare a acestui fenomen, buloanele tensionate initial sau niturile, cu timpul slabesc prinderea pieselor. Fenomene de relaxare si de curgere lenta se intalnesc si la betonul armat sau betonul precomprimat. Tensiunile initiale ale armaturilor din otel, care produc precomprimarea betonului scad cu timpul, fara insa ca in conditiile obisnuite de temperatura aceasta scadere sa pericliteze rezistena limita a elementului de constructii. Deformatia permanenta a materialului, dupa un anumit timp, cuprinde deformatia plastica instantanee εp si o deformatie εc, datorita curgerii lente. O comportare similara are si lemnul supus la intindere. Experientele au aratat ca probele de material mentinute continuu sub efort cedeaza dupa un anumit timp la rezistente mai mici decat rezistenta la rupere determinata prin incercari de scurta durata.
12. Ruperea Separarea unui corp solicitat, in doua sau mai multe parti, poarte denumirea de rupere. Ruperea este influentata de mai multi factori: natura materialului, forma corpului, sistemul de forte, modul lui de aplicare si temperatura. Ruperea poate fi casanta (fragila) sau plastica (ductila). Ruperea casanta nu este precedata, de regula, de deformatii plastice. Ea se datoreste rapidei propagari a unei fisuri. Ruperea ductila apare insa dupa producerea unor deformatii plastice apreciabile si se datoreste propagarii continue intr-un timp mai indelungat a fisurilor. Modul de rupere nu este determinat exclusiv de natura materialului. Astfel, materialele care, de obicei, au o rupere plastica, devin casante la temperaturi scazute sau la solicitarile prin soc.
13. Clasificarea materialelor dupa proprietatile lor mecanice Dupa comportarea materialului, in urma indepartarii sarcinilor, se disting urmatoarele modele ale corpului: elastice, plastice, vascoase sau rigide. Materialele elastice revin la forma si dimensiunile initiale dupa indepartarea solicitarilor, indiferent de intensitatea sau natura solicitarilor. Materialele plastice se deformeaza ireversibil cand eforturile produse sub actiunea unui sistem de forte ating limita de curgere. Materialele vascoase se deformeaza continuu sub actiunea fortelor, iar deformatiile castigate se pastreaza integral dupa indepartarea cauzei care le-a produs. In enumerarea de mai sus a fost amintit si modelul corpului perfect rigid (nedeformabil) admis in mecanica teoretica, insa, asa cum s-a mai aratat, in rezistenta materialelor corpurile sunt considerate deformabile. Majoritatea materialelor folosite in constructii sunt materiale elastoplastice. Ele se deformeaza partial elastic si partial plastic. Deformatiile plastice sporesc dupa cum s-a vazut pe masura ce efortul unitar creste. Materialele de constructie mai pot fi clasificate si dupa marimea deformatiilor produse inainte de rupere. Din acest punct de vedere materialele pot fi: - materiale tenace, care sufera deformatii plastice mari inainte de rupere cum sunt, de exemplu, otelurile de mica rezistenta, alama, cuprul, aluminiul etc.; - materialele fragile (casante), cre nu se deformeaza sau se deformeaza foarte putin inainte de rupere, cum sunt otelurile de inainta rezistenta, fonta, sticla, piatra, betonul etc. materialele tenace rezista bine la socuri, in timp ce materialele casante crapa si se rup foarte usor sub actiunea socurilor. La valori obisnuite ale solicitarilor, materialele tenace au o comportare foarte buna la compresiune si foarte slaba la intindere. In sfarsit, materialele pot fi clasificate si dupa valorile constantelor elastice E, G, si μ, masurate pe diferite directii in masa materialului. Materialele sunt denumite izotrope cand au aceleasi constante elastice pe toate directiile, cum este cazul otelurilor, cuprului, sticlei, cauciucului etc. si anizotrope, cand au stratificatii, fibre sau inele, care le fac sa se comporte elastic diferit pe directii diferite, cum este cazul lemnului sau al rocilor sedimentare. In cele mai multe cazuri in constructii se utilizeaza materialele izotrope. 14. Disiparea energiei. Lucrul mecanic de deformatie O analiza sumara a transformarilor de energie care au loc in timpul procesului de deformare permite sa se inteleaga mai bine comportarea materialelor de constructie sub actiunea fortelor. Ca urmare a faptului ca materialul se deformeaza, fiecare forta care actioneaza asupra lui isi deplaseaza punctul de aplicatie pe o anumita distanta si produce astfel un lucru mecanic (egal cu produsul dintre forta si drumul parcurs pe directia ei). Cand acest proces se desfasoara cu viteze infinit de mici intreg lucrul mecanic al fortelor exterioare este consumat numai pentru producerea deformatiilor. Atat timp cat eforturile unitare nu depasesc limita de elasticitate, lucrul mecanic se inmagazineaza de corp prin deformare elastica, deci sub forma de energie potentiala elastica. La descarcarea piesei, aceasta energie produce revenirea materialului la starea sa initala, nedeformata. Energia acumulata de un corp prin deformare elastica se numeste energie de deformare elastica si se compune din energia de schimbare a formei si a volumului. In realitate, deformatiile se produc insa intotdeauna cu oarecare viteza, ceea ce face ca deformatiile corpului sa nu mai fie practic reversibile in totalitatea lor. Daca se raporteaza cantitatea de energie inmagazinata de corp la volumul sau, se obtine energia specifica de deformatie (Ws) si a energiei disipata specifica (W`d), raportate, de asemenea, la unitatea de volum. Ws = Wd + W`d Energia elastica este reversibila si da deformatie elastica, energia disipata specifica este ireversibila si da deformatie remanenta sau se disipeaza sub forma de cladura. Cantitatea de lucru mecanic pe care o poate acumula unitatea de volum a materialului, pana la rupere, este egala cu intreaga suprafata de sub curba caracteristica, ea constituie o caracteristica importanta a materialului si poarta denumirea de lucru mecanic specific de rupere sau coeficient de rezistenta al materialului. Cu cat materialul este mai ductil, cu atat absoarbe la rupere mai mult lucru mecanic si invers, cu cat materialul este mai fragil ruperea se face cu lucru mecanic mai redus. In concluzie, trebuie retinut ca deplasarea cu viteze finite a particulelor materialelor este insotita, de regula, de o disipare a energiei in elementele de constructie, care produce procese de deformare ireversibile, elementele avand o comportare elastoplastica. Disiparea energiei poate fi pusa pe seama frecarilor interne. Pentru a explica variatia deformatiei corpurilor solide in timp, acestora li se poate asocia, pe langa proprietatea lor specifica – elasticitatea – si o vascozitate, proprietate atribuita, de regula, lichidelor reale. Materialele de constructii au deci o comportare vascielastica. Aceasta corespunde, de altfel, structurii reale a numeroase materiale de constructie cum sunt bitumurile, betonul, lemnul etc. 15. Comportarea materialelor la solicitari dinamice
Solicitarile dinamice se pot grupa in solicitari prin forte de inertie, solicitari prin soc si solicitari variabile periodice. Solicitarile prin forte de inertie se intalnesc la piesele cu acceleratii mari, fara discontinuitate de viteza, cum sunt cablurile de ascensoare, bielele, volantii, discurile de polizor etc. La aceste piese eforturile sunt determinate de fortele statice la care se adauga fortele de intertie (produsul intre masa si acceleratie). Solicitarile prin soc se produc atunci cand piesele au o variatie brusca de viteza. In urma socului, generat de contactul corpurilor in timp foarte scurt, se produce o forta de contact foarte mare. Socul are un efect local puternic si unul general mai redus, determinat de propagarea sa in toata masa corpului. in locul de contact se produc eforturi unitare locale foarte mari si de cele mai multe ori deformatii permanente. Deformatia produsa prin soc δ este mai mare decat cea formata la actiunea statica a fortelor δs si este data de relatia: δ = φ δs in care φ este un coeficient care poarta numele de multiplicator de impact sau multiplicator de ciocnire. Valoarea lui φ este in stransa legatura cu volumul piesei si deformatia statica δs a materialului. Atunci cand deformatia statica este mica, cum este cazul materialelor casante, coeficientul φ are valori foarte mari si deci efectul socului devine periculos, putand sa produca ruperea elementului de constructie. Solicitarile variabile periodice denumite si solicitari de oboseala se intalnesc la piesele la care are loc o variatie periodica a eforturilor, intre o valoare maxima si una minima, repetata de foarte multe ori. Variatia periodica a deformatiilor la aceste piese poate da nastere unor vibratii daunatoare atat la masini cat si in cladiri. Un rol important in izolarea antivibratorie il au pe langa alte masuri si fundatiile. Limita tensiunii maxime la care o epruveta dintr-un material poate fi solicitata la un numar foarte mare de cicluri de solicitari oscilante, fara a se produce ruperea la oboseala, se numeste rezistenta la oboseala. Experienta a aratat ca rezistenta la obseala este mai mica decat la solicitarile statice si este influentata foarte mult de starea suprafetei piesei. Existenta sgarieturilor si a fisurilor, actiunea agentilor corozivi, anumite acoperiri anticorozive (cromajul, nichelajul, aramirea, cadmierea etc.) micsoreaza rezistenta la oboseala, in timp ce anumite tratamente termice sau mecanice o maresc. De asemenea , in locurile unde exista o variatie brusca de sectiune sau in cele cu raza de racordare mica, in dreptul crestaturilor si gaurilor, se produc eforturi unitare mult superioare (are loc o concentrare a eforturilor unitare care poate provoca ruperea materialului) Rezistenta la oboseala a unor materiale de constructie, printre care sunt si metalele, scade la temperaturi inalte. Din punctul de vedere al rezistentei, o piesa este corespunzatoare atunci cand eforturile unitare care se produc in ea sub actiunea sarcinilor statice sau dinamice nu depasesc anumite limite determinate experimental in functie de caracteristicile mecanice ale materialelor, denumite uzual rezistente admisibile. Din punctul de vedere al rigiditatii, deformatiile elementelor de constructie sau ale organelor de masini trebuie sa se incadreze in anumite limite. Ca urmare, in calculul de rezistenta se impun uneori si conditii pentru marimea deformatiilor. Sunt situatii in care desi conditiile de rezistenta sunt satisfacute, unele piese isi pot pierde echilibrul stabil distrugandu-se la anumite valori ale sarcinilor numite valori critice.La astfel de piese conditiile de stabilitate cer sa fie solicitate la sarcini inferioare celor critice. Astfel, fenomenul de pierdere a echilibrului elastic al unei piese (bare sau placi) sub actiunea unor forte axiale de compresiune poarta denumirea de flambaj.Valoarea fortei critice de flambaj depinde de forma si dimensiunile piesei, de felul de rezemare si de modul de aplicare a sarcinilor. 16.Conditii pe care trebuie sa le indeplineasca elementele de constructie Pentru a prezenta siguranta atat pe timpul executiei cat si pe intreaga durata de exploatare, o constructie trebuie sa indeplineasca anumite conditii de rezistenta, rigiditate, stabilitate si etanseitate. In functie de destinatia si forma elementelor de constructie si dupa modul de aplicare a sarcinilor, in calculul de rezistenta se aplica una sau mai multe din conditiile aratate mai sus (rezistenta, rigiditate, stabilitate). Odata realizata constructia, ea are o anumita capacitate importanta care variaza in timp. Ea poate rezista numai anumitor sarcini statice si dinamice. Daca este supusa la solicitari mai mari decat capacitatea ei portanta, constructia isi pierde rezistenta sau stabilitatea si nu mai poate fi utilizata. De asemenea, constructia nu mai prezinta siguranta in cazul cand elementele sale componente capata deformatii mai mari decat cele maxime, admise, cand apar fisuri care conduc la pierderea etanseitatii (impermeabilitatii), sau cand se produc vibratii periculoase. Starea constructiei in care exploatarea ei normala nu mai este posibila, poarta denumirea de stare limita. Consecintele atingerii sau depasirii starilor limita pot varia in limite foarte largi, incepand de la mici inconveniente, avarii si perturbatii, pana la catastrofe cu pierderi mari de vieti omenesti si de bunuri materiale. Probabilitatea atingerii unei stari limita depinde de mai multi factori care pot fi grupati in trei categorii: solicitarile exterioare, proprietatile fizico-mecanice ale materialelor, conditiile de lucru ale constructiei rezultate din modul de aplicare a sarcinilor si modul de executie a elementelor de constructie Starea limita nu poate fi determinata direct, prin incarcare progresiva a unei constructii pana la distrugerea structurii. Ea poate fi dedusa prin incercari pe epruvete de materiale si pe modele de constructii sau cu ajutorul metodelor de calcul, apreciind cu precizie mai mare sau mai mica influenta diferitilor factori amintiti mai sus.
17. Efortul unitar admisibil. Coeficienti de siguranta Sub actiunea fortelor exterioare care actioneaza asupra constructiei, iau nastere in interiorul elementelor de constructie anumite eforturi unitare normale sau tangentiale. Calculul de rezistenta al unei constructii se bazeaza pe determinarea eforturilor unitare efective, care exprima gradul de solicitare a materialelor din care este execuatata. Aceste valori nu trebuie sa depaseasca anumite limite, astfel incat elementele de constructie sa indeplineasca conditiile de rezistenta, rigiditate si stabilitate. Pe baza practicii indelungate s-au stabilit in functie de proprietatile mecanice ale materialelor din care sunt confectionate si de conditiile care se impun elementului in ansamblul constructiei, anumite eforturi unitate maxime admisibile numite rezistente admisibile. Efortul unitar admisibil (rezistenta admisibila) este, asadar, o valoare conventionala care, in limita tolerantelor prescrise, nu trebuie sa fie depasita de efortul unitar maxim ce se produce intr-o piesa. Efortul unitar admisibil se noteaza cu σa, τa. In general, eforturile unitare admisibile se exprima in functie de limita de elasticitate, de limita de curgere sau de limita de rupere a materialului, sub forma unei fractii. σ = σe ce
; τa = τe ce
σa = σc ; τa = τc cc cc σa = σr ; τa = τr cr cr Coeficienti ce, cc si cr se numesc coeficienti de siguranta. Valorile rezistentelor admisibile si ale coeficientilor de siguranta depind de o serie de factori si sunt stabiliti prin standarde sau norme, iar la materiale noi, prin incercari de laborator. Adoptarea rezistentelor admisibile s-a facut acoperitor, tinand seama ca determinarea sarcinilor este aproximativa, schemele de calcul sunt simplificate si pot duce la diferente fata de fenomenele reale, caracteristicile materialelor pot varia etc. Coeficientul de siguranta este luat astfel incat sa se acopere abaterile de la incarcarile admise, de la conditiile de exploatare, de la calitatea si comportarea materialelor, de la precizia de executie prevazuta a se realiza etc. In tabele sunt date rezistentele admisibile si coeficientii de siguranta pentru unele materiale de constructie uzuale. Pana nu de mult pentru proiectarea si verificarea elementelor de constructie se utiliza exclusiv metoda rezistentelor admisibile. Prin aceasta metoda, se admitea solicitarea materialelor numai sub valoarea limitei de elasticitate, astfel incat in exploatare sa se produca deformari reversibile. Admiterea fara rezerve a comportarii elastice a materialelor, neglijand pe cea reala, reologica, ca si a coeficientului de siguranta unic, a fost principalul dezavantaj al acestei metode. Volumul si anvergura lucrarile de constructii din ultimele decenii, utilizarea unor noi materiale de constructie cu rezistenta ridicata au facut ca aceasta metoda sa fie abandonata. In locul metodei clasice bazate pe rezistente admisibile, s-a introdus metoda sarcinilor la rupere. Aceasta metoda sa aplicat la calculul elementelor din beton, beton armat si zidarie. Ca urmare a cercetarilor in laborator si pe constructii reale precum si a studiilor minutioase efectuate in ultimul deceniu asupra coeficientilor de siguranta, s-a elaborat metoda de calcul a constructiilor la starile limita. Normativele din tara noastra stabilesc doua grupe de stari limita: - stari limita ale capacitatii portante a constructiei; - stari limita ale deformatiilor. Metoda de calcul la starile limita introduce coeficienti de siguranta diferentiati cu valori mai mici. Astfel se iau in considerare un coeficient de supraincarcare, care sa acopere abaterile de la sarcinile admise in calcul, un coeficient de omogenitate, care sa acopere eventualele abateri de la caracteristicile mecanice ale materialului de constructie si un coeficient al conditiilor de lucru, care este legat fie de modul in care constructia a fost executata, fie de modul cum este exploatata. Pentru actiunea dinamica a fortelor, pentru eventuala obosire a materialului sau pierdera stabilitatii, se aplica coeficienti adecvati prescrisi in normativele de specialitate. Din cele expuse sumar mai sus rezulta ca pe masura aprofundarii studiului caracteristicilor mecanice ale materialelor si comportarii lor in timp, sub actiunea fortelor, au fost perfectionate continuu metodele de calcul. Imbunatatirea caracteristicilor mecanice ale materialelor de constructii, introducerea in productie a unor noi materiale cu caracteristici superioare, vor contribui din ce in ce mai mult la sporirea eficientei constructiilor. Capitolul XIV Principalele materiale utilizate in constructii 1. Metale folosite in constructii Fierul. Fierul se utilizeaza in constructii sub forma de aliaje. Dintre aliajele fierului cu carbonul, importante pentru practica sunt fontele si otelurile.
Peisele din fonta turnata sunt casante. Daca ele urmeaza a fi prelucrate mecanic, atunci se supun in prealabil unui tratament de maleabilizare. La constructii metalice se utilizeaza fonta cenusie normala (Fc 12, Fc 15, Fc 18) cu rezistenta maxima de rupere la compresiune 50, 60 si respectiv 67 kgf/mm² ()65,7 daN/mm² sau superioara (Fc 21), cu rezistenta maxima de rupere la compresiune de 75 kgf/mm² (73,5 daN/mm²). Produsele din otel se realizeaza direct prin turnare sau se obtin din lingouri prin anumite tratamente mecanice, termice si termochimice, care sa dea produselor finite proprietati tehnice imbunatatite. Tratamentele mecanice efectuate la cald sau la rece au ca scop obtinerea produselor finite prin deformarea plastica a otelurilor. Tratatementele mecanice se fac prin forjare (batere cu ciocanul), laminare (trecerea lingourilor prin valturi pentru obtinerea tablelor sau a diferitelor profile), trefilare (tragere prin orificii inguste), extrudere (presare prin orificii inguste), si matritare (presare in tipare). Tratamentele termice ale pieselor de otel, prin incalzirea lor nu anumit timp la diferite temperaturi si racirea brusca sau treptata, au drept scop modificarea structurii microcristaline sau micsorarea eforturilor interne. Cele mai importante tratamente termice sunt: recoacerea, calirea si revenirea. Tratamentele termochimice (cementarea, nitrurarea, cianurarea, aliarea, serardizarea, termocromarea, silicizarea) au ca scop imbunatatirea proprietatilor tehnice ale suprafetelor pieselor din otel prin schimbarea compozitiei chimice a acestora sau prin aliere. Pentru executarea constructiilor metalice se folosesc oteluri cu continut de carbon pana la 0,60%. Otelurile carbon au simbolul OL urmat de un numar care arata rezistenta lor minima la rupere prin intindere. Marcile de otel carbon obisnuit si unele caracteristici mecanice ale acestora sunt aratate in tabela 16. Tabela 16 Marci de otel carbon Marca otelului Limita de curgere, minima in kgf/mm² (daN/mm²) Limita de rupere in kgf/mm² (daN/mm²)
OL 00
OL 34
OL 38
OL 42
OL 50
OL 60
-
19 (18,6)
22 (21,6)
24 (23,5)
27 (26,5)
30 (29,4)
Sub 50 (sub 49)
34 – 42 (33,3 – 41,2)
38 – 47 (37,2 – 46)
42 – 52 (41,1 – 51)
50 – 60 (49 – 58,8)
60 – 70 (58,8 – 68,6)
Otelurile carbon obisnuite care urmeaza a fi supuse la tratamente mecanice inainte de utilizare sunt caracterizate atat prin rezistenta lor cat si printr-o compozitie chimica bine definita. Pentru aceste oteluri la simbol se adauga litera B (de exemplu OL 00-B, OL 34-B etc.). Pentru constructii puternic solicitate se utilizeaza otelurile carbon de calitate, care au simbolul OL C urmat de un numar care reprezinta continutul mediu in carbon in sutimi de procente. Pe langa sortimentele laminate la cald, din otel carbon, se fabrica produse laminate sau trase la rece precum si sortimente de produse realizate prin extrudere la cald sau la rece. Pana la alierea otelului carbon cu metale sau elemente nemetalice se obtin oteluri aliate care au, fie rezistente marite, fie comportare mai buna la agentii corozivi. Aliajele cele mai des intalnite contin siliciu, mangan, nichel, crom, wolfram, molibden si vanadiu. Aliajele cu nichel au coeficientul de dilatare termic foarte mic. Nichelul si cromul intra in compozitia otelurilor inoxidabile. Aliaje de aluminiu. Aluminiul este un material care prezinta un interes tot mai mare pentru constructii. Din cauza rezistentei sale mecanice mici, aluminiul se intrebuinteaza in constructii sub forma de aliaje. La solicitarile mecanice aliajele de aluminiu au o comportare analoga otelurilor moi, fara a avea insa palier de curgere. Ruperea la solicitari statice este in general plastica, producandu-se dupa deformatii mari. Aliajele de aluminiu prezinta, in comparatie cu otelurile, avantajul ca-si mentin proprietatile plastice la temperaturi scazute. Caracteristicile mecanice ale aliajelor de aluminiu se pot imbunatati prin ecruisare. Se obtine astfel ridicarea limitei de curgere, a duritatii si a rezistentei la oboseala. Piesele din aliaje de aluminiu se fabrica prin laminare sau prin turnare. Cele mai importante aliaje de laminare se obtin in pricipal din aluminiu si magneziu, la care se adauga mici cantitati de mangan, cupru si zinc. Prin alierea aluminiului cu magneziu se maresc mult duritatea si rezistenta la rupere, fara a se anula deformarea plastica. Aliajul care are cel mult 1% magneziu poarta numele de duraluminiu, cel cu 10 – 30% magneziu, mangaliu iar cele cu peste 90% magneziu, electron. Aceste aliaje prezinta dezavantajul ca ard la temperaturi mai mari de 600ºC. In tabela 17 sunt date unele caracteristici mecanice ale aliajelor de aluminiu si ale aluminiului turnat. Dintre aliajele de turnare, cele mai importante sunt cele cu siliciu (silumuri), la care se adauga ca modificator 0,1% sodiu metalic sau 1% ameste de fluorura si clorura de sodiu care impiedica formarea cristalelor mari de siliciu si maresc astfel rezistenta aliajului. Foile de aluminiu se folosesc si la izolari termice, datorita faptului ca reflecta radiatiile calorice, ca urmare a suprafetei lucioase si a culorii deschise. Aluminiul se topeste insa la temperatura de 685ºC. Tabela 17 Caracteristicile mecanice ale aliajelor de aluminiu
Felul aliajului Aluminiu Duraluminiu Mangaliu Electron
σr kgf/mm3 (daN/mm3) 10 (9,8) 33 (32,2) 30 (2,4) 32 (21,5)
δu % 40 14 10 5
Cuprul si aliajele de cupru. Cuprul este bun conducator de caldura si electricitate, rezistent la coroziune, ductil si maleabil. Se intrebuinteaza pe scara larga la constructia aparatelor electrotehnice si la tevile schimbatoarelor de caldura. Rezistenta la rupere a cuprului turnat este de 20 kgf/mm² (19,6 daN/mm²), iar a cuprului ecruisat de 45 kgf/mm² (44,1 daN/mm²). In constructiile industriale si civile si la organele de masini se folosesc aliaje de laminare cupru-zinc, numite alame, si aliaje de turnare cupru-staniu, bronzuri, sau cupru cu cel mult 12% aluminiu. Se mai produc bronzuri si cu siliciu, cu beriliu sau cu plumb. Plumbul. Plumbul este un metal moale, care se topeste la 327ºC si se foloseste in constructii ca metal curat sau sub forma de aliaje. El se livreaza sub forma de benzi, table, placi si tevi. Plumbul se foloseste sub forma de tevi la conducte de apa rece si la instalatii tehnologice, iar ca foi, la izolatii. El se foloseste in acelasi timp ca metal de protectie contra coroziunii, precum si la fabricarea diferitelor aliaje. Zincul. In constructii se utilizeaza table de zinc laminate sau presate. Zincul se foloseste pe scara larga la protectia otelului contra coroziunii si la fabricarea unor materiale de constructie cum sunt pigmentii (oxid sau sulfura de zinc). 2. Lemnul. Produsele industriale fabricate din lemn Lemnul, material cu utilizare larga in constructii, are o structura fibroasa din polimeri naturali, care ii determina proprietatile mecanice. Fiind un material anizotrop, proprietatile mecanice ale lemnului variaza in functie de unghiul pe care il face directia fortei cu directia fibrelor. Rezistenta este mai mare in lungul fibrelor decat in directia transversala. In constructii se utilizeaza lemn ce provine de la arbori care apartin esentei rasinoase (brad, molid, pin) sau esentei foioase (stejar, fag, frasin, salcam, nuc, tei, salcie, plop). Rezistenta si duritatea lemnului depind de porozitatea acetuia. Cu cat lemnul are o greutate specifica aparenta mai mare cu atat cu rezistenta sa va fi mai ridicata. Din acest punct de vedere lemnul se clasifica in lemn de esenta tare (stejarul, fagul, frasinul, salcamul si nucul) si lemn de esenta moale (bradul, molidul, teiul, plopul, salcia). La dimensionarea constructiilor definitive rezistentele admisibile la compresiune se iau pentru lemnul de brad 100 kgf/cm² (98,0 daN/cm²), paralel cu fibrele si 15 kgf/cm² (14,7 daN/cm²) perpendicular pe fibre. Rezistenta admisibila la intindere se ia de 70 kgf/cm² (68,6 daN/cm²). Rezistenta admisibila la incovoiere statica a lemnului de brad se ia de 100 kgf/cm² (98 daN/cm²), iar rezistenta admisibila la forfecare, perpendicular pe fibre, de 45 kgf/cm² (44 daN/cm²). Pentru constructii provizorii si auxiliare, rezistentele admisibile se iau cu cca 20% mai mari decat cele pentru constructii definitive. Pentru alte specii de lemn, rezistenta admisibile se obtin prin inmultirea valorilor date pentru brad cu coeficienti cuprinsi intre 0,8 si 2. Pentru elementele de constructii expuse alternativ umezelii rezistentele admisibile se reduc cu 15%, iar pentru cele care stau permanent sau timp indelungat in apa, cu 25%. In constructii se folosesc materiale lemnoase brute (busteni, bile, manele, prajini), semifabricate (cioplitura si traverse, cherestea, furnir, placaje, panele), finite (placi celulare, sindrila, scanduri faltuite, parchet). In ultimul timp a luat dezvoltare productia unor materiale moderne fabricate din lemn, cum sunt lemnul statificat densificat, hartia decorativa stratificata (HDS), lemnul impregant si presat, placile aglomerate din aschii lemnoase (PAL si PALEX), placile din fibre lemnoase (PFL) etc. Acestea au o structura modificata si caracteristici tehnice superioare in comparatie cu ale lemnului nemodificat. Placile fibrolemnoase pot fi innobilate prin melaminare, emailare, impregnare cu uleiuri sicative si prin tratament termic (durcisare). Pe langa utilizarea in constructii a produselor din lemn stratificat obtinute cu ajutorul furnirelor, s-a extins si utilizarea elementelor portante executate din lemn lamelat. Acestea se obtin prin incleierea scandurilor sau a dulapurilor cu adezivi sintetici rezistenti la umiditate.
3. Betonul. Materiale folosite in constructiile din beton simplu, beton armat si beton precomprimat Betonul este un amestec bine omogenizat de agregate (nisip, pietris, piatra sparta), liant, adaosuri chimice si apa, care se intareste dand un material de baza cu largi utilizari in constructii. Proprietatile betonului difera dupa natura componentii si raportul in care acestia intra in amestec. Betoanele se clasifica dupa densitatea aparenta, caracteristicile fizico-mecanice, domeniul de utilizare, modul de realizare si preparare si punere in opera.
Dupa greutatea volumetrica aparenta betonul poate fi: - foarte greu, cu densitatea aparenta mai mare de 2500 kg/m3, executat cu agregate foarte grele (barita, oxizi de fier) si serveste la executarea elementelor de constructie expuse unor eroziuni puternice sau radiatiilor nucleare; - greu, cu densitatea aparenta de 2201 – 2500 kg/m3 se utilizeaza la executarea elementelor de constructie portante de beton sau beton armat; - semigreu, cu densitatea aparenta cuprinsa intre 1701 si 2200 kg/m3, care se foloseste cu beton de umplutura sau la fabricarea blocurilor inlocuitoare de caramida; - usor, cu densitatea aparenta de 1000 – 1700 kg/m3, folosit la executarea blocurilor usoare de zidarie care au bune proprietati de izolare termica; - foarte usor, cu densitatea aparenta mai mica de 1000 kg/m3, utilizat numai ca material de izolare. Dupa compactitate, betonul intarit se clasifica astfel: - compact, cand are o structura cu goluri de 5 – 7%; - semicompact, cu goluri de 7 – 20%; - macroporos, cu volum de goluri de 20 – 40%; - celular, cu structura cu goluri sferice uniform distribuite cu volum de aer de pana 75%. In functie de rezistenta pe care o au la compresiune (cuburi cu latura de 20 cm dupa 28 de zile de intarire in laborator), betonul poate avea diferite marci. Betoanele folosite uzual in constructii sunt: B25, B50, B100, B150, B200, B250, B300, B350, B400, B500, B600. Pentru betoane usoare si foarte usoare se adopta si alte marci. Alegerea marcii betonului se face in functie si de conditiile de solicitare si mediul de exploatare. Astfel, pentru betoane de umplutura, egalizare sau panta se foloseste beton marca B25. Pentru beton simplu si beton armat B50, B100, B150 si B200. Marca B50 sau mai mare, se recomanda in special pentru elemente prefabricate din beton. Dupa modul de realizare, betonul poate fi turnat monolit, direct in opera si in elemente prefabricate pe santier sau in fabrici. Dupa armare, betonul poate fi beton simplu (fara armatura sau numai cu armatura de siguranta), beton armat si beton precomprimat. Betonul poate fi intarit in conditii normale sau accelerat prin aburire si autoclavizare. Betonul se toarna in cofraje. La confectionarea cofrajelor se folosesc materiale lemnoase (lemn de brad, placaj, bachelitizat, placi fibrolemnoase), metalice (otel, aluminiu) sau sintetice (poliesteri armati cu fibre de sticla). Decofrarea betonului se face la anumite termene care sa garanteze siguranta constructiei in momentul decrofarii si evitarea producerii, sub actiunea incarcarilor existente, a deformarii elementelor de constructie peste limitele admise. Cimentul este liantul (partea activa) care serveste la legarea agregatelor (nisip, pietris sau piatra sparta) folosite la obtinerea betonului. In functie de conditiile de fabricatie si livrare se considera doua categorii principale de cimenturi si anume: cimenturi curente si cimenturi speciale. Fiecare categorie cuprinde mai multe grupe de cimenturi, diferentiate in functie de tipul de clincher, continutul de adaos la macinare sau de domeniul de folosire. Cimenturile curente fabricate in tara sunt cimenturile portalnd cu 5 – 15% adaos de zgura sau cenusa. Marcile cimenturilor care se utilizeaza la executarea lucrarilor curente de beton sunt PZ 400 si PZ 500, care au adaos de 6 – 15% zgura de furnal. Pentru lucrarile situate in zona litoralului sunt indicate cimenturile curente cu adaos de 6 – 15% cenusa si care se noteaza cu PC 400 si PC 500. Din categoria cimenturilor curente face parte si cimentul de furnal cu maximum 50% adaos F 350 si FC 350 (31 – 50% zgura si cel mult 15% cenusa), care prezinta degajare redusa de caldura de hidratare si o intarire lenta. In categoria cimenturilor speciale intra in primul rand cimenturile cu rezistente initiale mari de tip RIM 200 sau RIM 300. Ele pot fi tratate termic si sunt indicate in cazul betoanelor turnate la temperaturi scazute de +5º la – 5ºC. Comportare buna la inghet-dezghet si aptitudini la tratamente termice au si cimenturile portland P 400 si P 500 sau cele Pa 400 care au maximum 5% adaos de zgura, cenusa sau tras. Pentru utilizare in medii cu agresivitate sulfatica, se fabrica cimenturi rezistente la ape sulfatice (SM, SR, SMA, SRA). Pentru a se asigura betoanelor un grad ridicat de impermeabilitate se utilizeaza cimenturi cu adaos de tras PT 400 si PT 500, in procente de 6 – 15% si T 400, in procente de 20 – 25%. Cimentul de furnal cu peste 50% adaos, F 300 FC 300 prezinta degajari de caldura si viteza de intarire deosebit de reduse, ceea ce face sa aiba utilizare eficienta la turnarea betoanelor cu marci reduse in lucrari masive. La executarea elementelor decorative de finisare si utilizeaza cimentul alb PA 300 sau cimenturi colorate. Pentru a imbunatati una sau mai mult dintre proprietatile betoanelor, se introduce in masa betonului proaspat un procent anumit de substante denumite aditivi (plastifianti, impermeabilizatori, acceleratori, intarzietori, antigel). Pentru confectionarea betoanelor grele se folosesc agregate provenite din sfaramarea naturala sau din concasarea rocilor, care trebuie sa respecte prescriptiile referitoare la marimea granulelor si numarul de sorturi. La elementele masive de beton care nu sunt supuse la solicitari importante, se pot ingloba bolovani sau blocuri de piatra realizandu-se betonul ciclopean. Pentru executarea betoanelor usoare se foloseste o gama mai larga de agregate. Astfel cu agregate grele fara material fin cu dozaj redus de ciment se obtin betoane macroporoase avand 1700 – 1950 kg/m3. Folosindu-se agregate minerale, naturale sau arficiale cum sunt scoria bazalitica , diatomitul, tuful andezitic, granulitul, argila expandata, sterilul ars, deseurile ceramice, zgura de furnal, perlitul etc., se obtin betoane avand intre 350 si 2000 kg/m3. In ultimul timp se utilizeaza pe scara din ce in ce mai larga betoane celulare cu rezistente la compresiune de 20 – 100 kgf/mm² (19,6 – 98 daN/cm²), obtinute prin umflarea si intarirea, de regula, in autoclave la presiune si temperatura ridicata a unui ameste de liant hidraulic cu sau fara agregat fin (de obicei nisip sau cenusa de termocentrala). Umflarea se face fie pe cale chimica (gazbeton), fie pe care fizica (spumbeton). Pentru armarea betonului se foloseste otel-beton rotund, neted OB 00 si OB 38, OL x 00, OL x 52 si OL x 60. Pentru armaturi de rezistenta sub forma de plase sau carcase sudate se utilizeaza sarma trefilata mata (STM) cu diametrul de 3 – 10 mm. Pentru armaturi de rezistenta la betoane de marca B 200 sau mai mare se utilizeaza si otel-beton cu profil periodic PC 52 si PC 60. Otelurile PC se lamineaza la cald in bare rotunde prevazute cu doua nervuri longitudinale si cu nervuri inclinate intre acestea. Otelul cu profil periodic laminat cald si torsionat la rece cu simbolurile TOR 47 si TOR 57m fiind ecruisat, are rezistente mai mari decat otelul OL 38 si respectiv OL 50 din care a fost facut. Profilul special mareste aderenta dintre armaturi si beton. Pentru betonul precomprimat se utilizeaza oteluri de inalta calitate: sarma lisa de otel
pentru beton precomprimat SBP I si SBP II; impletituri din 2 sau 3 sarme lise pentru beton precomprimat; sarma de otel pentru beton precomprimat; sarma de otel pentru beton precomprimat ampretata SBP I A; toroane pentru beton precomprimat, din sarma de inalta rezistenta TBP; bare cu profil periodic PC 90. Pentru a se asigura protectia armaturii contra coroziunii precum si buna conlucrare a ei cu betonul, trebuie sa se realizeze un strat de acoperire cu grosime corespunzatoare. Acoperirea cu beton a armaturilor longitudinale de rezistenta se ia cel putin egala cu dimensiunile armaturii, dar nu mai putin de: 1,0 cm, pentru placi cu grosime de pana la 10 cm; 1,5 cm, pentru placi cu grosime mai mare de 10 cm; 1,5 cm, pentru grinzi cu inaltimea pana la 25 cm; 2,5 cm, pentru grinzi cu inaltime mai mare de 25 cm; 2,5 cm pentru stalpi. Pentru grinzile cu inaltimi pana la 50 cm, care au armaturi longitudinale cu diametrul de cel mult 16 mm, grosimea minima a stratului de acoperire poate fi de 2 cm. Pentru elementele prefabricate tipizate executate in fabrici, cu beton de marca B 250 sau mai mare, grosimea stratului de acoperire cu beton poate fi cu 0,5 cm mai mica decat cele aratate mai sus, fara a cobora insa sub 1,0 cm la placi si pereti si respectiv 2 cm pentru grinzi cu inaltimi peste 25 cm si pentru stalpi. In scopul verificarii modului de comportare in conditii de exploatare pot fi supuse in unele cazuri la incercari de proba. Conform STAS 1336 – 62, incercarea constructiilor din beton este obligatorie la constructiile care adapostesc sau suporta aglomerari de oameni (tribune, sali de spectacol, expozitii etc.) pentru a caror proiectare, executie si comportare nu exista suficienta experienta. De asemenea, incercarea este obligatorie si la constructiile la care se considera necesara verificarea valabilitatii ipotezelor sau metodelor de calcul, la constructiile la care se hotaraste schimbarea destinatiei sau sporirea incarcarilor prevazute initial si nu se dispune de proiectul de executie, la constructiile care au suferit solicitari exceptionale la care nu se poate aprecia prin alte metode posibilitatea de redare in folosinta. Prin incercari se verifica rigiditatea si etanseitatea, determinarea momentului aparitiei fisurilor si capacitatea portanta reala, confirmarea ipotezelor sau metodelor de calcul folosite la proiectare. In functie de obiectivele urmarite se executa incercari de exploatare sau incercari de rupere. Modul de organizare si efectuare a incercarilor se stabileste printr-o tema de incercare si se executa sub conducerea unei comisii numita de organele centrale tutelare. 4. Materiale pentru zidarii Caramida plina cu densitate aparenta de 1700 – 2000 kg/m3 care pana nu demult ocupa locul principal in executarea zidariei constructiilor, este azi inlocuita tot mai mult cu materiale mai eficiente. Aceste materiale sunt caracterizate printr-o greutate mai mica si un volum mai mare decat caramizile obisnuite. Caramizile cu gauri verticale au rezistenta medie la compresiune cuprinsa in functie de marca, intre 50 si 125 kgf/cm² (49 – 122,5 daN/cm²). Din argila cu rumegus sau zgura de cazan, prin presare, uscare, ardere se obtin caramizi poroase avand forma si dimensiunile caramizilor obisnuite, insa cu densitate aparenta sub 1500 kg/m3 si rezistenta mai mica. Din nisip de natura curatoasa si var se realizeaza produse silico-calcare: caramizi, blocuri mici si mijlocii cu goluri de greutate mijlocie sau produse silico-calcare celulare spumoase. Din betoane usoare se fabrica blocuri mari, placi si panouri mari. Produsele din ipsos se folosesc in special la executarea peretilor interiori: placi de ipsos cu zgura sau cu rumegus, placi de ipsos celular sau fasii de ipsos cu goluri. Solutii eficiente se obtin si prin utilizarea la pereti a structurilor mixte, cum sunt de exemplu, placile de ipsos cu vata minerala la interior sau panourile sandvis din placi de azbociment cu polistiren la mijloc. 5. Materiale pentru invelitori Pe langa solutiile clasice ale acoperisurilor cu invelitoare de tabla, tigla, carton asfaltat sau ale acoperisurilor din placi grele de beton (monolite sau prefabricate) se tinde sa se utilizeze solutii de acoperisuri din materiale usoare. In acest scop s-au elaborat solutii pentru acoperisuri usoare cu invelitoare din placi sau beton armat, azbociment ondulat sau tabla ondulata. Pentru izolarea termica a acestor tipuri de acoperis se folosesc cu rezultate bune (si la incendii), produsele din vata minerala tip Sillan.
6. Materiale din polimeri Datorita bunelor proprietati mecanice, la temperaturi normale, rezistentei la actiunea agentilor corozivi si densitatii aparente reduse, numeroasele produse din polimeri (denumite si mase plastice) isi gasesc o larga utilizare in constructii. Dupa modul de prelucrare si comportare la temperatura, produsele de sinteza din polimeri, utlizate in constructii se clasifica in: elastomeri, plastomeri termoplastici si plastomeri termoreactivi.
Elastomerii sunt caracterizati prin elasticitate mare. In zona de comportare elastica ei manifesta lungiri complet reversibile de sute de procente. Elastomerii sunt putin utilizati in constructii. Plastomerii termoplastici sau termoplastele, supuse la incalzire sau racire au o comportare reversibila. Aceste materiale se prelucreaza usor si sunt utilizate la fabricarea tevilor, foilor, covoarelor, dalelor si diferitelor profile rezistente la apa si uzura. Plastomerii termoreactivi sau duroplastele sufera transformari ireversibile cand sunt supuse la temperatura, devenind rigide. Proprietatile mecanice ale polimerilor depind de gradul de polimerizare, de complexitatea amestecului de macromolecule si in special de temperatura. Materialele din polimeri termorigide, au rezistenta la intindere de 3 – 30 kgf/cm² (2,94 – 29,4 daN/cm²), iar cele termoplastice de 1 – 10 kgf/cm² (0,98 – 9,8 daN/mm²). Pe langa polimeri, produsele utilizate in constructii contin diferite adaosuri: plastifianti, antioxidanti, pigmenti, materiale de umplutura si materiale de armare, care le imbunatatesc caracteristicile. Materialele de armare se adauga cu scopul de a mari rezistenta mecanica a produselor. In acest sens se folosesc adaosuri fibroase sau sub forma de panze ori foi. Cele mai indicate sunt fibrele de sticla, care au rezistenta ridicata la intindere. Fibrele obisnuite, cu diametrul de 7 – 9 mm au o rezistenta la intindere de 60 – 100 kgf/cm² (58,8 – 98 daN/cm²). Materialele din polimeri au dezavantajul ca prezinta un proces de imbatranire in timp, in special sub actiunea razelor solare. De asemenea nu rezista la temperaturi ridicate. Din gama larga a polimerilor utilizati in constructii fac parte: polietilena, poliizobutilena, polistirenul, policlorura de vinil, poliacetatul de vinil, cauciucul sintetic, rasinile fenolice, poliesterii etc. Aceste materiale se utilizeaza sub forma de panouri, placi, table ondulate, foi, dale si covoare, profile, tevi, tuburi, substante pentru fabricarea lacurilor, adezivilor etc. 7. Materiale pentru izolatii si finisaje Pentru asigurarea confortului si a durabilitatii constructiilor civile si industriale se executa urmatoarele tipuri de izolatii: termice (termoizolatii); fonice (fonoizolatii); contra trepridatiilor si impactului; contra apei (hidroizolatii). Scopul izolarii termice este asigurarea climatului interior, impuse de cerintele minimale de conform in cladirile civile si de conditiile desfasurarii procesului tehnologic de fabricatie in cladirile industriale. Prin dimensionarea termotehnica a elementelor de constructie se urmareste sa se limiteze pierderile de caldura, sa se evite condensarea vaporilor de apa pe suprafata interioara sau in interiorul elementelor de constructie, sa se limiteze oscilatiile temperaturii pe suprafata interioara a elementelor de constructie si sa se reduca permeabilitatea acestora la aer. Dupa capacitatea de izolare termica, materialele termoizolatoare se clasifica in functie de densitate aparenta in stare uscata, astfel: ρ < 100 kg/m3, materiale cu eficienta termica mare; ρ = 100 – 500 kg/m3, materiale cu eficienta termica medie; ρ = 500 – 800 kg/m3, materiale cu eficienta termica mica. Dintre cele mai eficiente materiale fac parte produsele din vata minerala, vata de sticla, placile de pluta, polistirenul celular si betoanele usoare. Pentru absorbirea sunetelor din incaperi se folosesc la pereti si la plafoane placi din materiale poroase, cu porii deschisi. Pentru izolarea contra trepidatiilor si impactului, intre fundatiile masinilor si constructie se intercaleaza straturi de pluta, pasle sau alte materiale absorbante de trepidatii. Pentru izolarea contra impactului, produs in special prin caderea pe pardoseala a unor corpuri grele, intre pardoseala si planseu se intercaleaza un strat absorbant (din vata minerala, placi fibrolemnoase etc.) obtinandu-se astfel o pardoseala flotanta. Izolarea hidrofuga se realizeaza in constructii, cu bitum si straturi de carton sau de panza asfaltata. Pentru a impiedica patrunderea apei in elementele de constructie se folosesc si pelicule hidrofobe. Ca materiale de protectie si finisaj, pe langa materialele din lemn si produse de lemn, ceramica, pietre naturale etc., se foloseste o gama larga de produse care dupa functia pe care o indeplinesc se impart in: adezivi, chituri, grunduri, lacuri, emailuri si vopsele.
Capitolul XV Comportarea la foc a materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc 1. Clasificarea materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc
Dupa cum se cunoaste, comportarea la foc a constructiilor se apreciaza, in principal, in functie de combustibilitatea si limita de rezistenta la foc a principalelor elemente de constructie. Prin combustibilitatea materialelor si a elementelor de constructie se intelege capacitatea lor de a se aprinde si a arde in continuare, si de a contribui la cresterea cantitatii de caldura dezvoltata in timpul incendiului. Din punctul de vedere al combustibilitatii, materialele de constructie se impart, conform NPCI, in trei grupe: - materialele incombustibile, care sub actiunea flacarii sau a temperaturilor inalte nu se aprind, nu ard mocnit si nu se carbonizeaza. - materialele greu combustibile, care sub actiunea flacarii sau a temperaturii inalte se aprind greu, ard mocnit sau se carbonizeaza numai in cazul existentei unei surse exterioare de caldura. Dupa indepartarea sursei de initiere, arderea inceteaza la scurt interval de timp. - materialele combustibile, care sub actiunea flacarii sau a temperaturii inalte se aprind si ard cu flacara sau mocnit si dupa indepartarea sursei de initiere a arderii. Elementele de constructie se clasifica dupa aceleasi criterii, in functie de proprietatile materialelor din care sunt alcatuite. Elementele de constructie incombustibile sunt executate numai din materialele incombustibile. Elementele de constructie greu combustibile pot fi executate fie din materiale greu combustibile, fie din materiale combustibile protejate la partea expusa actiunii focului prin placare cu materiale incombustibile. Elementele de constructie combustibile au in componenta sa materiale combustibile care nu sunt protejate contra actiunii flacarii sau a temperaturii inalte, asa incat se pot aprinde si arde independent dupa indepartarea sursei de caldura. Limita de rezistenta la foc a unui element de constructie este intervalul de timp in care acest element – fiind supus actiunii temperaturii inalte, conform unui program standardizat – isi pastreaza capacitatea portanta si stabilitatea si satisface, atunci cand este necesar conditiile de etanseitate si izolare termica pentru a opune propagarii incendiilor. Grupa de combustibilitate si limita de rezistenta la foc se determina prin incercari in laboratoare autorizate in acest sens. La randul lor, fabricile producatoare si institutele de cercetari sunt obligate sa ia masuri pentru a determina comportarea la foc a materialelor si elementelor de constructie si instalatiei, pe care le produc sau le cerceteaza, insotind produsele livrate de certificatul ce consemneaza caracteristicile respective. 2. Transmiterea caldurii in elementele de constructie in timpul incendiului In timpul incendiul caldura se transmite de la focar la elementele de constructie prin convectie si radiatie. In interiorul elementelor de constructie caldura se transmite prin conductie, iar in cazul existentei unor goluri si prin convectie. Cea mai mare parte din caldura primita la fata incalzita este in primul rand inmagazinata de elementul de constructie. Materialele din care este alcatuit elementul se incalzesc, ridicandu-si treptat temperatura. O anumita cantitate de caldura este cedata mediului ambiant pe fetele neexpuse actiunii focului. Transmiterea caldurii de la focar sau de la produsele de ardere calde la elementele de constructie, propagarea caldurii in interiorul acestor elemente precum si eventual de la acestea la mediul inconjurator, este un proces complex ce decurge in regim nestationar, temperaturile variind nu numai in spatiu, de la punct la punct, ci si in timp. Inainte de inceperea incendiului, temperatura elementelor de constructie se deosebeste relativ putin de temperatura mediului ambiant, putand fi considerata practic uniforma si egala cu aceasta. In timpul incendiului, temperatura mediului afectat de incendiu sufera variatii apreciabile. Ca urmare, materialele din care este executata constructi sufera si ele un proces de incalzire neuniforma treptata, urmata de racire. Temperatura mediului in spatiul incendiat si durata reala a incendiului pot varia in limite mari, in functie de numerosi factori, dintre care natura, cantitatea si modul de asezare a materialelor combustibile, schimbul de gaze in zona focarului (conditiile de ventilare) precum si momentul inceperii actiunii de stingere, joaca un rol de prima importanta. Rezultatele obtinute prin numeroase experiente, precum si datele inregistrate la incendii reale, au condus la adoptarea un regim standard de variatie a temperaturii in timp de incendiu, care se av utiliza pe plan international la efectuarea incercarilor experimentale de rezistenta la foc a elementelor de constructie. Acest lucru va permite comp[ararea directa a rezultatelor obtinute la experientele izolate, efectuate in diferite tari. Pentru compararea diferitelor regimuri de temperatura realizate la incendii reale sau experimentale cu cele standard, se poate folosi orientativ metoda compararii suprafetelor cuprinse intre curba de temperatura, axa absciselor si ordonata care reprezinta temperatura la terminarea incendiului. Durata teoretica a incendiului se ia, de regula, conform NPCI, de 3 sau chiar de mai multe ori. In realitate durata incendiului poate varia in limite largi, in functie de destinatia si incarcarea termica a constructiilor. Introducerea pe scara larga a unor noi materiale si elemente de constructie usoare, cu sectiuni transversale mai mici comparativ cu cele de tip clasic si adoptarea unor coeficienti de siguranta redusi, impun aprecierea cat mai apropiata de conditiile reale a duratei teoretice a incendiului si alegerea, in functie de aceasta, a rezistentei la foc a diferitelor elemente de constructie. Calculul teoretic al fluxului de caldura transmis elementelor de constructie in timp de incendiu precum si calculul campurilor de temperatura in interiorul acestora, nu acapatat inca o rezolvare analitica corespunzatoare datorita atat complexitatii fenomenului cat si numarului redus de date experimentale de care se dispune. Acesta este, de altfel, motivul principal pentru care se prefera in prezent calea experimentala de determinare a rezistentei la foc. Variatia in timp a temperaturii la suprafata sau in interiorul unui element de constructie depinde nu numai de valoarea temperaturii realizata prin ardere ci si de anumite proprietati fizice ale materialelor de constructie. Modul cum sunt distribuite temperaturile in interiorul elementelor de constructie la un moment dat depinde de forma acestora si de difuzivitatea termica a materialelor din care sunt executate.
Difuzivitatea termica notata cu „a” este o caracteristica a fiecarui material si reprezinta raportul dintre conductivitatea termica λ si produsul dintre caldura specifica sub presiune constanta Cp si densitatea ρ: a = __λ___ [ m² ] Cp ∙ ρ s Cu cat difuzivitatea va fi mai mare cu atat mai repede vor ajunge, punctele materialului la incalzirea sau racirea lui, la aceeasi temperatura. Dupa cum se vede din relatie, incalzirea in profunzime a materialelor care au o conductivitate termica buna va fi mult mai rapida decat a materialelor cu proprietati de izolare termica. De asemenea, materialele care au caldura specifica si densitati mari, se incalzesc in profunzime mai incet, deoarece straturile superficiale, acumuleaza pentru a-si ridica temperatura, o mare parte din caldura preluata de element prin fetele expuse actiunii focului. De remarcat este si faptul ca atat λ cat si Cp variaza, pentru acelasi material, cu temperatura. Un rol important il joaca umiditatea materialelor de constructie. Apa libera aflata in porii materialului evaporanduse influenteaza si ea asupra vitezei de crestere a temperaturilor in masa elementului de constructie. In primul rand trebuie retinut faptul ca umiditatea materialului influenteaza marimea caldurii specifice. Pe masura ce creste umiditatea materialului se mareste caldura specifica a acestuia. Ca urmare, procesul de incalzire in profunzime a materialului umed este intarziat in comparatie cu cel al materialului uscat. Influenta cresterii caldurii specifice la materialele umede este insa diminuata intr-o oarecare masura de faptul ca cresterea umiditatii se mareste si conductivitatea termica a materialului. Nu acelasi lucru se intampla insa cu caldura latenta de vaporizare qv a apei libere aflata in porii materialului, care ii este transmisa la atingerea temperaturii de 100ºC. Aceasta nefiind compensata cu nimic, poate produce o franare considerabila a procesului de incalzire in profunzime. Un rol important asupra comportarii la foc a elementelor de constructie il joaca si permeabilitatea materialului la vapori. In cazul materialelor permeabile, aburul patrunzand in straturile mai reci se condenseaza marindu-le umiditatea si cedand locul acestora caldura latenta de vaporizare. Acest lucru nu accelereaza si nici nu intarzie procesul stabilizarii temperaturilor de 100ºC sau mai mari. In cazul materialelor cu permeabilitate redusa la vapori, prin evaporarea apei se creeaza in interior presiuni mari care duc la degradarea instantanee locala – prin explodare a elementului de constructie – denumita cavitatie. Fenomenul de degradare prin cavitatie se intalneste, de exemplu, la betoanele cu granulatie mica cand au umiditate mai mare de 3,5 ... 5% sau la placile de azbociment. 3. Variatia caracteristicilor mecanice ale materialelor la temperaturi inalte Supuse actiunii temperaturilor inalte, materialele lemnoase se aprind si ard. Ca urmare, elementele de constructie executate din materiale combustibile de acest gen se distrug in timpul incendiului, in primul rand ca urmare a micsorarii sectiunii lor transversale determinata de arderea materialului. Numeroasele materiale si in special produsele din polimeri se inmoaie devenind plastice se topesc sau sufera procese de degradare termica la temperaturi relativ scazute, pierzandu-si astfel rezistenta mecanica. Chiar si proprietatile mecanice ale materialelor incombustibile sufera modificari insemnate sub actiunea temperaturilor inalte ce iau nastere in caz de incendiu. La atingerea unor temperaturi critice, proprietatile mecanice ale materialelor de constructie (rezistenta, elasticitate, etc.) se modifica in asemenea masura incat elementele de constructie cedeaza, se rup sau capata deformatii plastice mari care le pun in pericol stabilitatea. Otelurile utilizate in constructii au temperaturile critice cuprinse intre 500 si 600ºC, cu exceptia celor trase la rece (cum este cazul sarmei de mare rezistenta) a caror temperatura critica este mult mai scazuta. Elementele din metal neprotejat datorita conductivitatii ridicate, se incalzesc repede. Din aceasta cauza ele au o rezistenta la foc redusa. Prin incalzirea betonului peste 300ºC se produceo scadere accentuata a rezistentei lui de rupere. Temperatura critica a betonului depinde de tipul acestuia si in special de natura agregatelor utilizate. Pentru beton cu ciment portland si piatra sparta de granit ea este de cca 500ºC, iar pentru cel cu piatra de calcar de 600ºC. Ca urmare rezistenta la foc a elementelor din beton armat este determinata, in general, de cedarea armaturilor deci de intervalul de timp necesar pentru incalzirea pana la temperatura critica a armaturii de rezistenta. Rezistenta de rupere a elementelor de beton armat se reduce si ca urmare a faptului ca incepand de la 100ºC aderenta armaturilor netede la beton obisnuit scade foarte mult, suprimandu-se complet la temperaturi mai mari de 450ºC. La armaturile cu profil variabil aderenta la aceasta temperatura ea insa de 75% din cea initiala. Ca urmare a incalzirii neuniforme, in interiorul elementelor de constructie iau nastere eforturi mari care pot duce la degradarea sau chiar distrugerea constructiei. In concluzie, pentru asigurarea la foc a elementelor de constructie o mare importanta o are alegerea unor materiale adecvate sau protejarea lor prin tencuire sau placare cu straturi de protectie termica. 4. Studiul experimental al comportarii la foc. Metode de incercare a materialelor si elementelor de constructie Un volum bogat si variat de informatii se obtin de catre pompieri prin observatii efectuate la incediile reale sau prin cercetarea, imediat dupa stingere, a cauzelor si efectelor incendiilor asupra constructiilor si instalatiilor. Necesitatea stabilirii rationale a domeniului de folosire a noilor materiale si elemente de constructie a impus insa si dezvoltarea studiului experimental al comportarii la foc in conditii standardizate de laborator. a) Metode de determinare a combustibilitatii materialelor de constructii:
Pentru determinarea in laborator a materialelor care se incadreaza in grupa materialelor incombustibile se foloseste un cuptor. Cuptorul are o camera de combustie cilindrica ai carei pereti sunt alcatuiti dintr-un tub ceramic cu diametrul interior de 75 mm si inaltimea de 150 mm prevazut la exterior cu o rezistenta electrica executata astfel incat sa asigure la jumatatea tubului o zona de temperatura constanta (cu abatere de ± 5ºC) pe o inaltime de cel putin 60 mm. Camera de combustie a cuptorului este deschisa la partea superioara astfel incat fenomenele de ardere pot fi observate si vizual. Pentru a se reduce influenta curentilor de aer asupra arderii, tubul are atasat etans la partea inferioara un difuzor tronconic vertical cu orificiul inferior de armisie a aerului Ø 9 mm si un ecran protector asezat in jurul picioarelor cuptorului. La partea superioara este fixat un ecran cilindric de 50 mm latime. Din materialul care trebuie incarcat se confectioneaza 3 epruvete de 40 x 40 x 50 mm, astfel incat sa fie cat mai mult posibil reprezentative in ceea ce priveste proprietatile materialului trimis spre incercare. Inainte de incercare, cuptorul se incalzeste la temperatura de 750ºC ± 10ºC. Epruveta de material asezata intr-un cosulet port-epruveta este introdusa cu ajutorul unui dispozitiv de sustinere in cuptor, in interval de cel mult 5 secunde. Incercarea dureaza 20 de minute. In timpul incercarii se observa daca apar flacari si se cronometreaza durata lor. De asemenea se masoara cu ajutorul unor termocuple variatia temperaturii in cuptor si in interiorul epruvetei. Materialul se considera incombustibil numai daca in timpul incercarii celor trei epruvete temperatura in cuptor sau in interiorul epruvetei nu s-a urcat cu 50ºC sau mai mult peste temperatura intiala a cuptorului si daca nu au aparut flacari cu durata de 10 secunde sau mai mult. Daca in urma incercarilor rezulta ca materialul nu poate fi considerat incombustibil, el este supus la incercari prin metode pentru a fi clasificat in grupa materialelor greu combustibile sau combustibile. Cuptorul pentru determinarea incombustibilitatii conform STAS 3558 – 70: tub refractar; rezistenta electrica; strat izolator termic; cutie de protectie exterioara; difuzor tronconic vertical; ecran cilindric; picioarele cuptorului; ecran protector; dispozitiv pentru sustinerea si introducerea epruvetei; port epruveta; tub vertical lateral; brat metalic; termocuplul cuptorului; termocuplul epruvetei. Din cele expuse mai sus rezulta ca in grupa materialelor incombustibile intra si materialele care au o combustibilitate redusa, care au practic un efect neglijabil in caz de incendiu. Pentru determinarea materialelor care intra in grupa materialelor greu combustibile se utilizeaza in prezent doua metode: metoda tevii de foc si metoda calorimetrica. Metoda tevii de foc se utilizeaza pentru o prima selectionare a materialelor susceptibile de a fi clasificate ca greu combustibile. Dispozitivul de incercare se compune dintr-un tub cu diametrul de 50 (60) mm si inaltimea de 165 (290) mm, fixat pe stativ. Epruvetele de material cu inaltimea de 150 mm, latimea de 31 – 35 mm si grosimea de cel mult 10 mm se fixeaza in axul tubului cu ajutorul unei sarme, astfel incat capatul inferior sa iasa din teava cu 5 mm. Sub epruveta, la distanta de 10 mm se asaza un arzator de gaz Ø 7 mm cu flacara de 40 mm lungime. Epruveta este expusa actiunii flacarii timp de 2 minute, dupa care se indeparteaza arzatorul. Se fac observatii atat cu privire la timpul de ardere independenta (cu flacara sau mocnita) dupa indepartarea sursei de initiere, cat si cu privire la pierderea in greutate a materialului, prin cantarirea epruvetei inainte si dupa incercare. Pentru fiecare material se incearca 3 sau 6 epruvete. Daca dupa indepartarea sursei de aprindere, materialul continua sa arda sau daca pierderea in greutate a fost mai mare de 20% materialul este considerat combustibil. Intrucat incercarea cu teava de foc se face numai prin expunerea materialului actiunii flacarii nu si a temperaturii inalte, pentru a se obtine o confirmare caracteristicilor greu combustibile ale materialelor de constructie se utilizeaza metoda calorimetrica care necesita un aparataj mai complex si un timp de lucru mai indelungat. Pentru incercare se foloseste instalatia calorimetrica, care este formata din: vas calorimetric in care se produce arderea epruvetei, incalzitor electric, arzator cu gaze, reostat pentru reglarea curentului electric, wattmetru, electromotorul agitatorului cu reostat de reglare, reometru pentru determinarea consumului de gaz, contor de gaz (umed) pentru gradarea reometrului, termometru, filtru pentru gazele arse, manometru pentru controlul presiunii din calorimetru, reometru pentru determinarea cantitatii de gaze aspirate din calorimetru, reometru pentru determinarea cantitatii de aer introdus in calorimetru, recipient pentru spalarea gazelor evacuate, recipient tampon pentru gazele evacuate, pompa de vacuum pentru aspirarea gazelor din calorimetru, suflanta pentru introducerea aerului, robinete de reglare, robinete de inchidere. Vasul calorimetric este format din: camera de combustie, camasa interioara de apa, camasa exterioara de apa, ecran de aluminiu, fundul port epruveta al calorimetrului, conducta cu orificii pentru introducerea aerului, arzator de gaze, incalzitor electric, placi reflectoare, ecran deflector, tevi pentru evacuarea gazelor, capacul vasului calorimetric, conducta de aspiratie a gazelor, stut pentru introducerea agitatorului, stut pentru introducerea termometrelor, agitator, termometru, fereastra de control, conducta pentru manometru. El se executa din tabla de cupru si se compune dintr-o camera de combustie, un invelis interior de apa prevazut cu agitator si un invelis de apa, exterior. La partea superioara, camera de combustie este prevazuta cu un ecran si tevi de evacuare a gazelor arse, iar la partea inferioara cu un capac etans. Pe acest capac se monteaza un arzator de gaz, o conducta cu orificii pentru introducerea aerului, o rezistenta electrica si o conducta de legatura la manometrul de masurare a presiunii. Pentru observarea vizuala a fenomenelor de ardere, vasul este prevazut lateral cu un vizor cu geam etans. Epruveta de material cu inaltimea de 75 – 80 mm, latimea de 31 – 35 mm si grosimea de cel mult 10 mm se introduce in camera de combustie fixata astfel incat distanta intre partea ei inferioara si arzator sa fie de 8 mm. Dupa inchiderea etansa a capacului inferior, se trimite in vasul calorimetric o cantitate de 30 l aer pe minut reglandu-se evacuarea aerului, astfel incat sa se creeeze in camera de combustie o depresiune de 3 mm H2O. Se lasa sa se echilibreze temperatura apei in cele doua invelisuri si dupa aceea se conecteaza circuitul de alimentare a rezistentei electrice. Dupa 10 secunde se alimenteaza arzatorul de gaz cu un debit de 5 l/min si se mentine in functiune pana cand prin vizor se observa ca epruveta s-a aprins. Dupa aceea se intrerupe alimentarea cu energie electrica si
gaze. Se masoara variatia temperaturii invelisului interior de apa si se calculeaza cantitatea de caldura introdusa in calorimetru si cea degajata prin arderea epruvetei. Notand cu qd caldura degajata de epruveta si cu qi caldura utilizata pentru initierea arderii (caldura degajata de rezistenta electrica si cea produsa prin arderea gazului) se calculeaza coeficientul k din relatia: k = qd qi Incercarea se executa pe 6 epruvete pentru materialele utilizate in constructii civile si industriale si pe 10 epruvete pentru cele utilizate la constructia navelor, variind de fiecare data cantitatea de caldura introdusa in calorimetru (timpul de incalzire a rezistentei si arderea becului de gaz). Clasificarea se face in functie de valoarea maxima a coeficientului k astfel: k ≤ 0,5 materiale greu combustibile; k > 0,5 materiale combustibile. b) Metode de determinare a limitei de rezistenta la foc. Metoda ideala de determinare a rezistentei la foc a unei constructii ar fi incercarea ei in marime reala. Acest lucru nu este insa practic posbil datorita costului ridicat si duratei mari a incercarilor. Pentru a se evita aceste neajunsuri, in ultimul timp s-a dezvoltat in multe tari metoda studierii comportarii la foc a constructiilor pe modele reduse. In mod curent se foloseste insa metoda determinarii limitei de rezistenta la la foc a elementelor de constructie se determina in laboratorul de rezistenta la foc creat in cadrul Institutului de cercetari pentru constructii si economia constructiilor INCERC, dupa metoda prevazuta in STAS 7771 – 67. In prezent laboratorul dispune de un cuptor pentru incercarea elementelor orizontale si un cuptor pentru elemente verticale. Urmeaza sa se realizeze un turn pentru studiul propagarii incendiilor pe fatade si prin golurile din interiorul constructiilor precum si cuptoare speciale de incercari (grinzi, stalpi etc.). Limita de rezistenta la foc se determina (dupa criterii de stabilitate, etanseitate si izolare termica) prin incercarea elementelor de constructie, sub sarcina, la o temperatura care sa varieze in timp, cat mai exact posibil, dupa expresia: T – T0 = 345 log10 (8 t + 1) in care, T este temperatura cuptorului masurata cu termocuple situate la distanta de 10 cm de elementul de constructie in ºC; T0 – temperatura initiala a cuptorului, in ºC; t – timpul scurs de la inceputul incercarii, in minute. Stalpii, grinzile si fermele se expun actiunii uniforma a focului pe toate fetele si pe toata lungimea si inaltimea lor, in timp ce elementele despartitoare (pereti, plansee) se expun incalzirii numai pe una din fete. Probele sunt expuse incalzirii in cuptor pana cand ating starea limita a capacitatii lor portante si nu mai pot face fata rolului pentru care sunt destinate in constructie. Pentru toate elementele de constuctie criteriul de stabilitate nu mai este satisfacut daca acestea se prabusesc sau capata deformatii plastice care depasesc valorile maxime admise. Astfel, pentru grinzi si elemente de planseu sau acoperis, deformatiile maxime admise sunt depasite atunci cand raportul dintre sageata maxima si lungimea lor libera este de _1_ .... _1_ . 30 30 Datorita faptului ca rezistenta betonului dupa racire poate fi mai mica decat a betonului in stare incalzita, este important ca la incercarea elementelor din beton acestea sa fie mentinute sub sarcina si in timpul perioadei de racire. Pentru elementele de compartimentare interioara a constructiei criteriul de etanseitate nu mai este indeplinit daca in ele se formeaza crapaturi sau alte deschideri prin care pot trece flacari sau gaze calde, iar criteriul de izolare termica atunci cand se produce o incalzire periculoasa de pe fata neexpusa actiunii directe a focului (de exemplu temperatura medie crescand cu mai mult de 140ºC sau temperatura maxima depasind cu mai mult de 180ºC temperatura initiala). PARTEA A PATRA CHIMIA Capitolul XVI Procese de oxidare si arderi 1. Oxidarea Oxidarea este un fenomen chimic si constituie o reactie in care o substanta se combina cu oxigenul sau cedeaza hidrogen. De exemplu: oxidarea carbonului la bioxid de carbon a acidului azotos in acid azotic. C + O2 = CO2; HN O2 + ½ O2 = HN O3
Reactiile de oxidare-reducere se mai numesc pe scurt si reactii oxidante. Sensul cuvintelor de „oxidare” si „reducere” poate fi generalizat, daca se tine seama de faptul ca oxigenul atrage aproape intotdeauna electronul din elementul care se uneste cu el. Prin urmare, sensul de oxidare rezida in pierderea de electroni din stratul periferic al substantei oxidate. Dimpotriva, prin reducere se recapata electronii cedati mai inainte. Substanta in a carei compozitie intra un element care alipeste electronii se numeste oxidant, iar substanta ce cuprinde un element care cedeaza electroni se cheama reducator. Toate moleculele substantelor ce intra in reactie si a celor rezultante sunt insa neutre din punct de vedere electric. De aceea, numarul total al electronilor cedati in procesul reactiei de catre reducator trebuie sa fie egal cu numarul total al electronilor alipiti de catre oxidant. Tinand seama de cele aratate mai sus, se considera oxidare si reactiile chimice in care elementul chimic nu se combina cu oxigenul, dar in care el totusi, a pierdut unul sau mai multi electroni. De exemplu, reactia: 2 CuCl + Cl2 = 2 Cu Cl2 In acest caz se spune ca, cuprul s-a oxidat de la monovalent la bivalent prin pierderea unui eletron desi in reactie nu a intervenit oxigenul. Se mai considera oxidare si trecerea unei substante din stare elementara, intr-o combinatie in care elementul chimic se incarca pozitiv. Acest gen de oxidare se poate exemplifica prin trecerea Pb in Pb Cl2 sau Pb O sau prin trecerea unei substante incarcate pozitiv intr-o treapta de incarcare pozitiva superioara ca de exemplu Pb O in Pb O2. Practic se produc mai multe feluri de oxidari. Se cunosc, de exemplu, oxidari lente, oxidari biochimice, oxidari chimice, oxidari electrolitice. Oxidarea lenta este o combinare a unei substante cu oxigenul care se produce la temperatura ambianta sau mai joasa, fara dezvoltare de lumina si aparent fara dezvoltare de caldura. Caldura dezvoltata fiind cedata treptat mediului exterior, temperatura se mentine practic constanta (exemplu, ruginirea fierului sau oxidarea altor metale, putrezirea lemnului, respiratia fiintelor etc.). Oxidarea biochimica se refera la oxidarea grasimilor, proteinelor si a hidrantilor de carbon proveniti din alimente, fenomen care are loc in celula vie, sub actiunea directa e enzimelor numite oxidaze si care au rolul de a elibera energia necesara organismului. Oxidarea biochimica se foloseste si la scara industriala. Oxidarea chimice are domeniul de aplicare la protectia fierului si otelului, a magneziului, a cuprului si aliajelor lui. Oxidarea chimica este o oxidare de protectie la metalele feroase si cuprul si este de cele mai multe ori o brunare. Oxidarea electrolitica se aplica de obicei, la protectia aluminiului si a aliajelor lor (se mai numeste si electrooxidare). 2. Arderea Arderea este o reactie chimica insotita de dezvoltare de caldura si emisiune de lumina (flacara). In conditii obisnuite arderea reprezinta un proces de oxidare sau de asociere intre substantele combustibile si oxigenul din aer. Procesul de ardere este posibil numai daca sunt respectate urmatoarele conditii: existenta substantelor sau materialelor combustibile; prezenta substantelor care intretin arderea (oxigen, substante care cedeaza oxigen); realizarea temperaturii de aprindere. Arderea substantelor si materialelor combustibile are loc numai in faza gazoasa. Deci materialele solide inainte de a arde se gazeifica. Lichidele nu ard, ci numai vaporii acestora care se formeaza in cantitate suficienta abia dupa ce se depaseste temperatura de inflamabilitate. Substantele combustibile solide se aprind si ard, in general, mult mai greu decat cele gazoase sau lichide, deoarece aprinderea lor necesita un aport mai mare de caldura din exterior iar degajarea substantelor volatile prin distilare se face mai incet. Procesul de ardere pentru substantele combustibile solide, lichide si gazoase se desfasoara la fel si consta din trei faze: oxidarea, aprinderea si arderea propriu-zisa. Datorita oxidarii gazelor si vaporilor, caldura se acumuleaza in mod continuu, fapt ce duce la marirea vitezei reactiilor, la aprinderea substantelor combustibile si la aparitia flacarilor. Cantitatea aproximativa de aer, necesara pentru arderea unui kilogram de substanta se calculeaza dupa formula: Va = 1,12 Q 1000 in care, Q este puterea calorifica a combustibilului in kcal/kg Cunoasterea mecanismului reactiilor de ardere are o mare importanta teoretica si practica. La baza conceptiilor actuale, despre mecanismul reactiilor de ardere se gaseste teoria reactiilor in lant. Aceasta teorie presupune formarea in timpul reactiei de oxidare a radicalilor liberi, care in urma reactiei cu alte molecule, formeaza radicali noi, ce reactioneaza la randul lor cu moleculele neutre. Aceste reactii sunt denumite reactii secundare de continuare a lantului. In acest mod apare un lant de reactii care se repeta, pe timpul carora, produsele finale se formeaza printr-o serie de faze intermediare, care initiaza inceputul unui nou lant ce constituie centru activ al reactiei.
Ca un exemplu de astfel de reactie serveste combinarea fotochimica a clorului cu hidrogenul. Reactia primara de formare a lantului o constituie disocierea moleculei de clor in atomi la absorbtia unei cuate de lumina. Cl2 + hv = Cl + Cl Atomul de clor reactioneaza cu o molecula de hidrogen, formand un atom de hidrogen si acid clorhidric: Cl + H2 = H Cl + H Atomul de hidrogen la randul sau reactioneaza cu o molecula de clor, dand atomul de clor si o molecula de HCl etc. Daca un centru activ provoaca la randul sau aparitia mai mult centre active, reactia se prelungeste si ia nastere un proces in lant ramificat. Paralel cu formarea centrelor active pot avea loc si reactii de inactivare (distrugere) a acestora, denumite reactii de intrerupere a lanturilor. Un exemplu tipic de reactie in lant ramificat este procesul de ardere a hidrogenului: H2 + O2 = 20 H H2 + M (orice molecula) = 2 H + M O2 + O2 = O3 + O
} } nasterea lantului }
OH + H2 = H2O + H
– prelungirea lantului
H + O2 = OH + O O + H2 = OH + H
} } ramificatia lantului
H + O2 + M = H2O + M HO2 + H2 = H2O2 + H HO2 + H2O = H2O2 + OH
- intrerupere in volumul reactant prin formarea unui radical putin activ } prelungirea lantului prin radicalul } HO2 putin activ.
Reactia in lant se explica si prin existenta unei limite inferioare si superioare de arpindere (explozie), in functie de presiune si concentratie, de influenta gazelor inerte asupra incentinirii reactiei precum si de timpul de incalzire a amestecului la contactul cu o sursa exterioara de aprindere. Intreruperea lantului se produce atat in volumul amestecului reactant, cat si pe peretii vasului de reactie. Intreruperea lantului in volum amestecului poate avea loc din urmatoarele motive: producerea reactiei secundare intre radicalul liber si impuritatile prezente in amestec; dispersarea de catre particula activa a energiei chimice in exces, la ciocnirea cu moleculele omogene inactive sau inerte. Intreruperea lantului pe peretii vasului de reactie se produce in urma absorbtiei centrilor activi pe suprafata peretelui. Depasirea numarului de reactii in lant ramificate, fata de numarul intreruperilor constituie conditia principala pentru accelerarea reactiei de ardere. Teoria reactiilor in lant explica fenomenul de cataliza pozitiva si negativa in procesul de ardere. Cataliza este fenomenul de crestere a vitezei de reactie sub efectul catalizatorului, adica al substantei care creeaza centrele active initiale. De exemplu, reactia de oxidare a hidrocarburilor se accelereaza vizibil si poate sa duca la aprindere in cazul adaugarii in mediul reactant a unor cantitati reduse de produse peroxidice. Cataliza negativa reduce viteza de reactie, datorita faptului ca moleculele unui catalizator negativ, intr-un mod sau altul dezactiveaza centri activi. Drept exemplu de cataliza negativa serveste inhibitia proceselor de ardere a produselor petroliere la adaugarea hidrocarburilor halogenate. Tipuri de ardere. Arderile pot fi clasificate din mai mult puncte de vedere. Din punctul de vedere al tipului de reactie se deosebesc arderi complete si arderi incomplete. Intr-o ardere completa substanta combustibila reactioneaza total, conform unor reactii de tipul: C + O2 = CO2 ; H2 + ½ O2 = H2O Produsele de ardere contin totdeauna bioxid de carbon, apa azot si numai in cantitati mici formaldehida, acizi grasi inferiori, alcooli, bioxid de sulf etc. Intr-o ardere incompleta produsii de ardere sunt: oxid de carbon, apa, peroxizi, aldehide, acizi, alcooli si cocs. Arderile se mai pot clasifica in arderi fara flacara (mocnite) si arderi cu flacara. Din punct de vedere al propagarii flacarii arderile pot fi: arderi uniforme (normale) sau deflagratii si arderi rapide (explozii si detonatii). Arderile uniforme sau deflagratiile se caracterizeaza printr-o transmitere a caldurii in mod uniform, de la stratul care arde la stratul vecin, cu viteza de propagare de ordinul centimetrilor pana la un metru pe secunda. In arderile rapide viteza de propagare atinge valori mai mari decat viteza sunetului, 1 – 4 km s -1, flacara fiind insotita de o unda de soc, care inainteaza practic cu aceeasi viteza. Conform teoriei noi a arderii, trecerea de la deflagratie la detonatie depinde de parametrii fundamentali ai reactiei (viteza de reactie, conductibilitatea termica, difuziunea atomilor si a radicalilor in amestec). Temperatura de ardere. Temperatura de ardere este mai ridicata decat temperatura de aprindere.
Temperatura de ardere reprezinta temperatura minima la care un combustibil solid sau lichid se aprinde si arde pana la epuizare. Ea reprezinta temperatura la care viteza pierderii de caludura prin conductivitate, radiatie si convectie este depasita de viteaza reactiei de oxidare.
3. Aprinderea Aprinderea sau initierea arderii se produce fie cand materialul combustibil vine in contact cu o sursa de aprindere, fie datorita unei surse de caldura interna. Aprinderea unei substante combustibile are loc numai in faza gazoasa si cu atat mai usor cu cat emanarea de vapori si gaze incepe la o temperatura mai joasa. Aprinderea substantelor si materiale combustibile se produce la o anumita temperatura, ce depinde de fiecare combustibil in parte, numita temperatura de aprindere. Temperatura de aprindere este temperatura minima la care trebuie incalzita o substanta sau material combustibil, in aer, pentru a se aprinde. 4. Autoaprinderea Autoaprinderea este declansarea arderii unei substante combustibile datorita autoincalzirii, deci fara interventia unei surse exterioare de aprindere. Caldura necesara autoincalzirii si apoi aprinderii rezulta din reactii chimice sau biologice care se produc in insasi masa substantei respective. In functie de natura reactiilor se cunosc trei feluri de autoaprinderi: autoaprinderi de natura chimica, fizico-chimica si biologica. Autoaprinderea de natura chimica se poate produce la substantele care au o capacitate intensa de combinare cu oxigenul din aer, cu apa sau cu alte substante. Se citeaza dintre aceste substante fosforul alb, praful de aluminiu, sulfurile de fier, metalele alcaline, oxidul de calciu, o parte dintre oxidanti si halogeni, peroxizi etc. Pe timpul procesului de autoaprindere se degaja o mare cantitate de caldura. La autoaprinderea sulfurii de fier se produc reactiile: Fe S2 + O2 → Fe S + SO2 + 53 100 cal; Fe S + 3 O → Fe O + SO2 + 11 713 cal; Umiditatea accelereaza procesul de autoaprindere: Succeptibile la autoaprindere sunt si substantele ca reactioneaza in contact cu apa. De exemplu, reactiile cu apa ale oxidului de calciu (varul nestins) si ale sodiului: CaO + H2O = Ca (OH)2 + 276 kcal/kg 2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2 Hidrogenul degajat in urma contactului dintre metalele alcaline si apa se poate autoaprinde din cauza caldurii de reactie. Dintre oxidantii cu cea mai mare putere de oxidare se citeaza acidul azotic (aprinde materialele organice ca paie, talaj etc.), peroxidul de sodiu, cloratii si percloratii. Autoaprinderea de natura fizico-chimica este specifica substantelor combustibile, care in afara procesului chimic sunt supuse si inflentei unor factori, ca suprafata mare de contact cu oxigenul atmosferica, evacuarea insuficienta a caldurii produse si existenta unor impuritati. Exemple de autoaprindere fizico-chimica se poate da autoaprinderea carbunelui, prafului de carbune, azotatului de amoniu, bumbacului, lacurilor de ulei, semintelor si turtelor de floarea soarelui. In masa semintelor de floarea-soarelui au loc de exemplu procese exoterme strans legate de transferul de apa si de reactiile chimice de oxidare. Samanta absoarbe oxigenul din aer, care se combina cu oxigenul continut in masa ei. In urma oxidarii se degaja caldura, vapori de apa si bioxid de carbon dupa reactia: C6 H12 O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + 677 kcal Bioxidul de carbon fiind un gaz inert impiedica accesul aerului din atmosfera, intrerupand astfel aerarea normala a semintelor de floarea soarelui. Ca urmare, oxigenul din masa semintei se consuma, fapt ce duce la cresterea cantitatii de caldura degajata, care nu poate fi evacuata, creandu-se din aceasta cauza centre de autoincalzire. Procesul de autoincalzire si autoaprindere a semintelor de floarea-soarelui este favorizat si de prezenta si dezvoltarea bacteriilor termofile, care determina cresterea temperaturii. Autoapriderea de natura biologica se produce la acele substante combustibile care sunt predispuse activitatii vitale a microorganismelor.
Autoaprinderea de natura biologica incepe cu procesul de autoincalzire care se manifesta prin fermentare si putrezire. Caldura care se degaja se datoreaza transformarilor materiei sub actiunea microorganismelor, transformarilor chimice prin intermediul fermentilor. Autoaprinderea de natura biologica se poate produce la paie, lucerna, fan, taitei de sfecla de zahar (borhot), rumegus de lemn, tutun etc. Borhotul are o conductivitate termica redusa din care cauza caldura rezultata in urma actiunii microflorei este retinuta, intensificand astfel procesele fiziologice si fenomenul de autoincalzire. Dupa incalzirea masei de borhot apare fenomenul de termodifuzie (distilarea apei si a produselor organice continute) care determina condensarea vaporilor de apa si cresterea treptata a zonei de autoincalzire. Dupa disparitia activitatii microorganismelor, la temperatura de 60ºC, se produce o degajare importanta de caldura, in urma reactiei de descompunere a produselor depozitate, insotite de ruperi moleculare, degajare de CO2 si chiar inceput de carbonizare. 5. Inflamarea Inflamarea este un fenomen specific vaporilor si gazelor. Pentru a se putea produce inflamarea este necesar sa se formeze un amestec combustibil de vapori-aer si sa existe o sursa de aprindere. Inflamarea se produce la o anumita temperatura numita temperatura de inflamabilitate. Temperatura de inflamabilitate este temperatura minima la care vaporii unui lichid combustibil formeaza cu aerul, deasupra suprafetei sale, un amestec de o anumita concentratie, care se aprinde la contactul cu o sursa de aprindere (scanteie electrica) corp incandescent, flacara, scanteie mecanica etc. Pentru ca inflamarea sa poata trece in ardere este nevoie ca temperatura stratului superior al lichidului sa depaseasca temperatura de inflamabilitate. Acest lucru se poate realiza numai daca lichidul se incalzeste continuu pentru a se putea degaja cantitatea de vapori necesara alimentarii arderii. Procesul de ardere se poate intrerupe in urma scaderii temperaturii in zona de ardere, care are ca urmare reducerea cantitatii de vapori. Temperatura de inflamabilitate este direct proportionala cu temperatura de fierbere si invers proportionala cu tensiunea vaporilor de lichid. Daca nu exista date referitoare la temperatura de inflabilitate, aceasta se poate calcula dupa formule empirice, aproximative. Dupa Ormandy si Graven, temperatura de inflamabilitate se poate calcula cu formula: Tinfl = T f ∙ K in care, T f este temperatura de fierbere, ºK; K – coeficient egal cu 0,736 6. Autoinflamarea Autoinflamarea se produce in conditiile existentei unei anumite cantitati de vapori si a realizarii temperaturii de autoinflamare. Autoinflamarea ca fenomen consta in aprinderea vaporilor unui lichid combustibil sau a gazelor incalzite, fara ca acestia sa vina in contact cu o sursa de aprindere (flacara deschisa, scanteie electrica sau mecanica, corp incandescent etc.), fiind suficienta numai prezenta aerului. Temperatura de autoinflamare este temperatura minima la care o substanta combustibila se aprinde fara interventia impulsului de inflamare. Pentru majoritatea substantelor combustibile temperatura de autoinflamare variaza in limitele de 250 – 650ºC, flacara stabila aparand la temperaturi mai ridicate. Temperatura de autoinflamare depinde de compozitia si presiunea amestecului, factori care fac ca valoarea ei sa varieze intre limite largi. 7. Explozia Explozia este un proces de ardere foarte rapida si violenta a unui amestec exploziv, care se produce in fractiuni de secunda, cu degajare de caldura (reactie exoterma), lumina si presiune mare. Explozia se produce in momentul in care amestecul exploziv are o anumita concentratie si vine in contact cu o sursa de aprindere. Concentratii explozive pot forma vaporii si gazele combustibile, precum si praful diferitelor substante organice. Concentratia minima a gazelor si vaporilor, a prafului in aer, la care este posibila explozia se numeste limita inferioara de explozie.
Concentratia maxima a gazelor, a vaporilor sau a prafului in aer, la care explozia mai este inca posibila, se numeste limita superioara de explozie. Intervalul (zona) dintre limita inferioara si superioara de explozie se numeste interval de explozie si are un rol determinat in stabilirea pericolului de incendiu si de explozie. Sub limita inferioara de explozie nu poate sa produca o explozie din cauza excesului de aer; de asemenea nici peste limita superioara de explozie, arderea si explozia nu poate avea loc datorita lipsei de aer, amestecul fiind prea bogat. Limitele de explozie ale amestecurilor explozive formate din mai multe substante se calculeaza cu formula: L = _____100_____ a + b + c ... + n A B C N in care, L reprezinta concentratia in procente; a, b, c, d ...n – continutul in procente de volum al fiecarui component din amestecul considerat A, B, C, D ... N – limite inferioara sau superioare de explozie ale componentilor din amestecul considerat Limitele de explozie nu au o valoare constanta, deoarece amestecurile explozive sunt inflentate de factori ca: temperatura mediului amibiant, presiunea la care este supus amestecul exploziv si capacitatea de oxidare a hidrocarburilor. Limitele inferioare si superioare de explozie, publicate in literatura de specialitate sunt determinate la temperatura normala (20ºC) si la presiunea atmosferica. In unele situatii, in sectiile de productie se poate depasi temperatura si presiunea la care au fost determinate. 8. Detonatia Detonatia este denumita si explozia produsa, in general, in tevi cu diametre mici si lungimi suficient de mare, la care viteza de propagare a flacarii este cuprinsa intre 1000 si 4000 m/s. Pe timpul detonatiei descompunerea substantelor se face atat de rapid incat gazele care se degaja se destind in insasi masa substantei dand nastere la presiuni si temperaturi foarte ridicate. Detonatiile se caracterizeaza prin unda soc insotita de o reactie chimica ce se intretine singura. Presiunea in zona reactiei in amestecurile de gaze, creste de aproximativ 50 ori fata de presiunea initiala. La lovirea frontala a undei de detonatie, de un obstacol, de exemplu la fundul tevii, presiunea se dubleaza. Concentratia amestecurilor detonante difera de cele de explozie. De exemplu, concentratia de detonatie, de un obstacol, de exemplu de fundul tevii, presiunea se dubleaza. Concentratia amestecurilor detonate difera de cele de explozie. De exemplu, concentratia de detonatie a amestecului de hidrogen cu aer este cuprinsa intre 27 si 35% hidrogen. Capitolul XVII Reactii chimice 1. Ecuatii si formule chimice Pentru a intelege ecuatiile chimice trebuie sa se cunoasca mai intaii modul de a determina formulele chimice ale substantelor. Odata cu stabilirea greutatilor atomice ale elementelor, determinarea formulei chimice a unui compus oarecare s-a putu face usor, cunoscand mai intai compozitia lui procentuala gasita cu ajutorul analizei. Astfel una din combinatiile carbonului cu clorul are urmatoarea procentuala: 7,8% C, 92,2% Cl. Greutatile atomice corespunzatoare sunt egale cu 12 si 35,5. Este evident ca cut cat greutatea atomica a elementului este mai mare, cu atat mai mic va fi numarul atomilor din molecula pentru o anumita compozitiei procentuala a compusului. De aceea, pentru a gasi numarul de atomi al fiecaruia din elementele ce intra in componenta compusului chimic, trebuie sa impartim numarul procentual la greutatile atomice corespunzatoare. Facand o astfel de impartire gasim pentru carbon 0,65 si pentru clor 2,60. Dar aceste valori sunt fractiuni zecimale, pe cand in molecula se afla un numar intreg de atomi. Spre a obtine numere intregi, impartim ambii factori la cel mai mic dintre impartim ambii factori la cel mai mic dintre ei, respectiv la 0,65. Cifrele capatate (inmultitori atomici) 1 si 4 ne dau direct numarul de atomi din fiecare element in formula compusului examinat, care este tetraclorura de carbon (CCl4). In mod asemanator se determina formula chimica si a altor compusi cu un numar mai mare de elemente chimice. Aflarea formulei chimice a unei combinatii poate fi insa deseori simplificata cunoscand valenta elementelor componente. Pentru exemplificare sa luam cel mai simplu caz de combinatie, formata din atomoo a doua elemente diferite si anume aluminiu si oxigen. Aluminiul este trivalent, iar oxigenul bivalent. Din insasi notiunea de valenta decurge ca atomii care intra intr-o combinatie chimica nu pot avea valente libere. Prin urmare numarul lor total pentru aluminiu trebuie sa fie egal cu numarul total pentru oxigen. Cea mai mica cifra care se imparte fara este la 3 si 2 este 6. Aceasta inseamna ca numarul comun de valente trebuie sa fie egal cu 6. Dar fiecare atom de aluminiu este trivalent, deci pentru a obtine 6 valente sunt necesari doi atomi de aluminiu. Astfel, cea mai simpla formula a combinatiei aluminiului cu oxigenul va fi Al2O3. Nu toate combinatiile posibile din punctul de vedere al valentei exista insa si in realitate. Posibilitatea formarii lor depinde de proprietatile chimice ale elementelor si de conditiile exterioare. Din aceasta cauza combinatia Al2O3 dedusa mai
sus, exista in realitate, in timp ce MgH2 care putea fi dedusa in acelasi fel, nu exista, deoarece magneziul nu se combina cu hidrogenul. In cazul cand combinatia contine trei sau mai multe elemente diferite, pentru stabilirea unei formule dupa valente sunt necesare si alte date suplimentare. De exemplu pentru stabilirea formulei acidului azotic care consta din N, O si H in afara de cunoasterea elementelor (azotul pentavalent, oxigenul bivalent, hidrogenul monovalent) este nevoie de anumite indicatii in plus. Din proprietatile chimice ale acidului azotic se stie ca el contine numai un atom de azot si unul de hidrogen si ca acesti atomi nu sunt legati direct intre ei. Daca atomul pentavalent al azotului nu este legat direct de hidrogen, atunci el trebuie sa fie legat cu toate valentele de oxigen. Deoarece atomul de oxigen este bivalent, la atomul de azot se pot asocia doi atomi de oxigen in intregime si al treilea numai cu o legatura. La acest al treilea atom de oxigen ramane o valenta libera la care se asociaza hidrogenul monovalent. Formulele structurale dau o idee mai completa asupra substantei examinate decat cele obisnuite, deoarece ele nu arata numai numarul atomilor fiecarui element din molecula, ci si felul in care acestia sunt legati unul de altul. Chimia organica, unde formulele sunt mai complexe, este in intregime construita pe baza formulelor structurale. Reactiile chimice se noteaza cu ajutorul ecuatiilor chimice. Ecuatia chimica reprezinta o ecuatie, in care in partea stanga se scriu formulele tuturor substantelor ce intra in reactie, iar in partea dreapta acelea ale produselor rezultate. In fata fiecarei formule se pune un coeficient care arata cate molecule din substanta data intra in reactie sau rezulta. Daca coeficientul este egal cu unitatea el nu se mai scrie. Drept exemplu sunt redate mai jos taote stadiile de stabilire a ecuatiei reactiei dintre oxidul de aluminiu si acidul sulfuric: a) Se scriu in partea stanga a ecuatiei formulele tuturor substantelor care intra in reactie: Al2O3 + H2SO4 → b) Se noteaza compozitia substantelor rezultate dom reactie netinand seama initial de valente: Al2O3 + H2SO4 → Al | SO4 + H | O c) Se controleaza formulele substantelor rezultate dupa valenta elementelor: AL2O3 + H2SO4 → Al2 (SO4)3 + H2O d) Se controleaza numarul atomilor fiecarui element in ambele parti ale ecuatiei, egalizandu-i, prin punerea coeficientilor respectivi in fata formulelor: Al2 + 3 H2SO4 → AL2 (SO4)3 + 3 H2O Se intelege de la sine ca nu este necesara transcrierea fiecarei ecuatii de patru ori, ceea ce s-a facut in exemplul de fata in scopul de a ne obisnui cu un anumit rationament, care serverste pentru evitarea greselilor la notarea chimica a reactiilor mai complicate. 2. Echilibrul termodinamic Asa cum s-a mai amintit mai sus nu toate reactiile posibile au loc in realitate. Principalul criteriu de apreciere a posibilitatii termodinamice de efectuare a reactiei este variatia energiei libere (∆Z). Deoarece in termodinamica nu intervine timpul, termodinamica nu se ocupa de viteza cu care decurge procesul, ci raspunde numai la intrebarea cat de departe se gaseste sistemul studiat de starea de echilibru. Energia libera sau potentialul izobar (Z) al unui sistem este egal cu energia totala (H) minus energia legata (TS). Marimea Z depinde de proprietatile reactantilor si starea lor termodinamica; de aceea ea este o diferenta totala. Daca procesul este izoterm si presiunea se mentine constanta atunci: ∆Z = ∆H - T∆S unde: ∆H – variatia entalpiei sistemului (efectul termic total); T – temperatura sistemului; ∆S – varitia entropiei sistemului. Reactiile pentru care ∆Z are valori negative (∆Z < O) sunt considerate realizabile termodinamic, iar cele in care ∆Z are valori pozitive (∆Z > O) sunt imposibile. Cum, de obicei, este vorba de variatiei energiei libere standard ∆Zº (la presiune atmosferica si temperatura de 25ºC si nu de variatia energiei libere totale), se constata practic ca sunt realizabile si reactii pentru care ∆Zº > O, dar mai mic decat 10 kcal/mol; reactiile pentru care ∆Zº > 10 kcal/mol sunt practic imposibile. Astfel pentru reactia: CH4 + CO2 → CH3 – COOH, foarte interesanta din punct de vedere practic, intrucat ar duce la sintetizarea acidului acetic din metan si bioxid de carbon, este irealizabila din punct de vedere termodinamic intrucat ∆Zº = + 85.97 kcal/mol. Reactiile, in care ∆Z are valori pozitive se pot insa realiza daca au loc simultan cu alte reactii in care ∆Z < O. Scaderea potentialului izobar in aceste reactii acopera cresterea lui pentru prima reactie si procesul global poate avea loc cu scaderea lui ∆Z. Un exemplu de acest tip il constituie reactiile de formare a acidului cianhidric din metan si amoniac:
CH4 + NH3 → HCN + 3H2∆Zº = + 34 kcal/mol (imposibila termodinamic) CH4 + NH3 + 3/2 O2 → HCN + 3H2O ∆Zº = - 130 kcal/mol (favorabila termodinamic) Dar cu toata valoarea negativa mare a lui ∆Z, reactia nu se produce, aceasta inseamna ca trebuie invinse piedicile care stau in calea ei. Aceasta problema care este de domeniul cineticei de reactiei este asamanatoare problemei invingerii frecarii care impiedica miscarea in sistemele mecanice. Existenta unei bariere de energie care se opune decurgerii procesului confera inertie substantelor chimice, ceea ce in marea majoritate a cazurilor justifica insasi existenta multor compusi. Astfel, reactia poate sa nu aiba loc: 1) din cauza apropierii de starea de echilibru chimic si 2) din cauza inhibarii. In primul caz trebuie modificate conditiile de reactie; in al doilea caz trebuie modificata viteza de reactie. Astfel, cu toate ca pentru reactia: H2 + ½ O2 = H2O la temperatura de 25ºC si 1 atmosfera ∆Z < O, formarea apei nu are loc. Dar este suficient se sa introduca un catalizator adecvat pentru ca procesul sa decurga cu viteza mare pana la capat. Catalizatorul actionand asupra procesului nu poate schimba insa valoarea lui ∆Z sau ∆Zº, deoarece aceste marimi depind de starea initiala si finala a sistemului. In afara de catalizator, reactia inhibata poate fi amorsata, si cu ajutorul lubrifiantilor care ajuta la invingerea frecarii. De aceea trebuie sa se faca deosebire intre caldura care serveste ca impus necesar inlaturarii si inhibarii in multe procese exoterme ce pot fi inhibate si intre caldura care se degaja in timpul procesului. Astfel se explica de ce prelucrarea caldurii de reactie in multe procese chimice trebuie sa se faca la un nivel de temperatura la care reactia se amorseaza (160 - 180ºC in cazul sintezei clorurii de vinil din acetilena, 220 - 230ºC in cazul oxidarii etilenei la oxid de etilena etc.). In practica, preluarea caldurii de reactie in asemenea cazuri se face prin generare de abur. Considerentele de mai sus privind variatia energiei libere sunt valabile si pentru reactiile de formarea compusilor din elemente. De aceea, alaturi de posibilitatea sau imposbilitatea reactiilor, se poate vorbi si de stabilitatea sau nestabilitatea termodinamica a substantelor. Substantele pentru care la formarea lor din elemente ∆Zº < O sunt stabile, pe cand cele la care ∆Zº > au tendinta de descompunere, aceasta luand adeseori un caracter exploziv. Variatia entalpiei sistemului sau efectul termic total al reactiilor chimice este egal cu suma algebrica a caldurilor de formare ale reactantilor, deci cu suma caldurilor de formare din elemente ale produsilor de reactie minus suma caldurilor de formare ale produsilor initiali: ∆H = Σ (Hform) prod. finite – Σ (Hform) prod. init. Cu ajutorul acestei reguli se poate calcula efectul termic al reactiilor care sunt greu de efectuat intr-un calorimetru. Astfel pentru reactia de oxidare a amoniacului: HN3 + 5/4 O2 = NO + 3/2 H2O (g) efectul termic al reactiei (caldura de reactie) este: ∆H = [21.6 + 3/2 (- 57.8)] – [(-10.98) + 0] = - 54.12 kcal/mol unde: 21, 6 - 57,8 – 10,98 kcal/mol – sunt caldurile de formare ale NO, H2O(g) si HN3 din elemente (oxigenul fiind un element, caldura sa de formare este egala cu zero). In cazul substantelor organice, efectul termic al reactiilor se poate calcula cu ajutorul caldurilor de ardere ale reactiilor in locul caldurilor de formare. Reactiile in care ∆H are valori negative sunt reactii care au loc cu degajare de caldura (reactii exoterme), iar cele in care ∆H are valori pozitive se produc cu absorbtie de caldura (reactii endoterme). In general se poate spune ca reactiile insotite de o diminuare a numarului de molecule, ca de exemplu reactiile de aditie, polimelizare, sunt exoterme. Reactiile insotite de o marire a numarului de molecule, cum sunt disocierile si depolimerizarile sunt endoterme. Variatia entropiei sistemului ne indicia directia de realizare a procesului. Intr-un sistem neizolat insa, cum se intampla practic in realitate, reactiile pot avea loc si cu scaderea entropiei. 3. Cinetica reactiei In practica reactiile ajung rareori la echilibru, gradul de conversie depinzand de mult factori, dintre care in primul rand de viteza reactiei de care se ocupa cinetica chimica. In unele cazuri in urma efectuarii unei reactii nu se obtin substantele care ar trebuie sa se formeze la temperatura, presiunea si concentratia data. In locul reactiei dorite se produce o alta relatie, desi conditiile pentru efectuarea ei nu sunt favorabile, din cauza ca reactia dorita are o viteza neglijabila. De aici rezulta ca gradul de conversie depinde nu numai de conditiile de echilibru ci si de viteza diferitelor reactii si deci si de durata procesului. De aceea, toti factorii care maresc viteza de reactie produc in acelasi timp o crestere a conversiei ce se realizeaza intr-un timp mai scurt decat cel necesar echilibrului. Principalii factori care influenteaza cinetica proceselor sunt: temperatura, presiunea, concentratia reactantilor si mai ales catalizatorii. Viteza de reactie este proportioanala cu concentratia reactantilor si este data de relatia clasica: r = k.[A].[B]
unde: [A] si [B] sunt concentratiile substantelor respective. Constanta de viteza a reactiei sau viteza specifia k, este viteaza reactiei atunci cand concentratiile reactantilor sunt egale cu unitatea si este o marime care permite compararea vitezelor diferitelor reactii. Viteza reactiilor se masoara in grame sau moli produs reactionat in unitatea de timp (secunde, minute, ore) pe unitatea de volum de reactor sau volum de catalizator exprimat in litri sau metri cubi. Variatia vitezei de reactie cu timpul poate fi reprezentata printr-o curba in care valoarea vitezei tinde asimptotic catre zero (in apropiere de echilibru). In anumite conditii de lucru de exemplu in prezenta catalizatorilor, echilibrul poate fi atins la timpuri finite (curba punctata). Viteza diverselor reactii chimic variaza in limite foarte largi, de la reactii care au loc practic instantaneu, chiar la temperatura ordinara, cu reactii care dureaza ore sau zile (de exemplu reactia de polimelizare a butadienei in prezenta metalelor alcaline) si uneori un timp mai lung. Influenta temperaturii asupra vitezei de reactie in relatia r = k.[A].[B] nu apare decat in ceea ce priveste valoarea constantei de viteza k, care variaza in proportii apreciabile cu temperatura (poate capata valori duble sau triple pentru variatii de circa 10ºC). In conformitate cu principiul echilibrului termodinamic al lui Van`t Hoff, temperaturile joase favorizeaza reactiile exoterme (diferite sinteze), iar cele inalte favorizeaza reactiile endoterme (in special disocierile). Influenta presiunii asupra randamentului reactiei este evidenta. Astfel, conform principiului lui Le Chatelier, daca reactia este insotita de cresterea presiunii si invers, daca reactia este insotita de o micsorare a volumului, gradul de conversie creste cu marirea presiunii. Tinand seama de faptul ca multe reactii in sinteza organica decurg cu micsorare de volum, folosirea presiunilor inalte favorizeaza procesul, conducand in acelasi timp la micsorarea dimensiunilor reactorului si la imbunatatirea transmisiei de caldura. Presiunile inalte capata din ce in ce mai multa importanta in industrie. Alicarea presiunilor inalte a dus la nasterea unor ramuri noi in industria chimica, la crearea unor metode principal noi in tehnologia chimica si la posibilitatea utilizarii drept materii prime a multor gaze, lichide si solide care nu-si gaseau aplicatii practice. Gazul iner deplaseaza de asemenea echilibrul, deoarece efectul dilutiei este asemanator cu efectul provocat de scaderea presiunii totale. De aceea pentru reactiile care decurg cu micsorare de volum, diluarea cu gaz inert nu este de dorit; dimpotriva la cresterea volumului, diluarea cu gaz inert mareste gradul de conversie al reactiei. Cele mai frecvente temperaturi intrebuintate in industria chimica sunt in jurul a 1400ºC (la fabricarea acetilenei din metan), iar cele mai joase in jurul a - 140ºC (la separarea etilenei din gazele de piroliza). Cele mai inalte presiuni utilizate variaza intre 1000 si 2000 at (la polimerizarea etilenei), iar cele mai joase ating circa 10 -3 mm Hg (la fabricarea penicilinei). Este evident ca aceste conditii extreme nu se pot realiza decat in cazuri exceptionale. In general aparatura pentru temperaturi care depasesc 600 – 700ºC si pentru presiuni mai mare de 500 at este greu de realizat. O problema importanta in cazul reactiilor exoterme in industrie este eliminarea caldurii de reactie. In cazul reactiilor care au loc discontinuu, eliminarea caldurii poate fi influentata numai prin marirea suprafetei de transfer. La reactiile continui, caldura de reactie poate fi evacuata si prin diluarea amestecul de reactie cu unul din reactanti, sau prin evaporarea unei cantitati din solventul lichid utilizat si recircularea lui inapoi in reactie. 4. Catalizatori Catalizatorii sunt substante care schimba viteza reactiei ramanand ei insisi neschimbati din punct de vedere chimic. Dupa cum reiese din definitie, actiunea catalizatorului din punct de vedere formal este analoga cu variatia temperaturii. Si intr-un caz si in altul se observa o schimbare a vitezei de reactie. Totusi, exista in fond o deosebire principiala intre aceste doua influente. In timp ce printr-o ridicare de temperatura se comunica sistemului de energie din exterior, catalizatorul nu adauga nici o cantitate de energie, deoarece altfel n-ar ramane neschimbat dupa sfarsitul reactiei. Rezultatul grabirii reactiei cu ajutorul incalzirii este legat inevitabil de deplasarea echilibrului sistemului dupa principiul lui Le Chatelier. Prin actiunea unui catalizator se grabeste stabilirea starii de echilibru a sistemului, ramanand insa neschimbata situatia de echilibru. Din cele expuse rezulta ca un catalizator se intrebuinteaza atunci cand trebuie atins cat mai repede echilibrul termodinamic in conditiile unor temperaturi cat mai joase. Toata gama proceselor catalitice poate fi redusa la doua cazuri generale: cataliza omogena si eterogena. In primul caz atat substantele din reactie cat si catalizatorul apartin uneia si aceleasi faze, in cazul al doilea, unor faze diferite. De exemplu daca tot sistemul gazos sau sub forma unie solutii vom avea cataliza omogena. Metoda camerelor de plumb de fabricare a acidului sulfuric face parte din aceasta grupa. Dimpotriva metoda de contact pentru acid sulfuric este un caz de cataliza eterogena, deoarece catalizatorul solid grabeste aici reactia dintre substantele gazoase. Chimistul catalizei omogene isi gaseste explicatia in teoria combinatiilor intermediare. Pentru exemplificare se ia metoda camerelor de fabricare a acidului sulfuric. Procesul in absenta catalizatorului decurge dupa reactia: O2 + 2 H2SO3 → 2 H2SO4 In prezenta catalizatorilor de oxizi de azot, reactia are loc prin intermediul bioxidului de azot astfel: O2 + 2 NO → 2 NO2 2 NO2 + 2 H2SO3 → 2 H2SO4 + 2 NO On afara de importanta ei chimica, cataliza omogena are si o importanta biologica imensa. In organismul plantelor si animalelor se gasesc asa numitele „enzime”: substante organice cu constitutie complexa care joasa rolul de catalizatori in diversele procese vitale.
In chimistul catalizei eterogene rolul cel mai important il joaca adsorbtia. Datorita ei se formeaza pe suprafata care reactioneaza, ceea ce duce implicit la accelerarea reactiei. Un factor incomparabil mai important este insa cresterea activitatii chimice a moleculelor adsorbite in comparatie cu starea lor obisnuita. Cu toate ca pentru a explica mersul catalizei eterogene se recurge de obicei la teoria simpla a activarii moleculelor pe suprafata catalizatorului, multi savanti admit existenta pe suprafata catalizatorului a unor hidrati sau oxizi foarte nestabili a caror formare si descompunere ulterioara duce la acclerarea reactiei. Din punct de vedere energetic acclerarea reactiilor prin cataliza are loc prin scaderea energiei de activare. De exemplu, energia de activare a procesului descompunerii acidului iodhidric in elemente care reprezinta 44 kcal/mol, scade in prezenta aurului la 25 kcal/mol, adica aproape la jumatate. Un rol important in procesele catalitice il au metodele de preparare a catalizatorilor. O activitate catalitica inalta se observa numai la o structura spongioasa si nestabila a suprafetei catalizatorului. Astfel catalizatorii de tipul oxizilor se prepara de obicei prin deshidratarea hidratilor corespunzatori sau prin descompunerea sarurilor azotice, iar cei metalici prin reducerea oxizilor respectiv cu hidrogen. Prepararea catalizatorilor nu este lipsita de pericol de incendiu. In special catalizatorii metalici spongiosi sunt extrem de reactivi putandu-se aprinde in contact cu aerul. Capitolul XVIII Procese chimice cu pericol de incendiu 1. Procese de descompunere termica Principalele surse de hidrocarburi pure si fractiuni petroliere pentru industria petrochimica sunt produse rezultate din procese de descompunere termica si catalitica a fractiunilor de titei (cracare termica, catalitica, reformare etc.). Prin descompunerea termica a metanului se obtin de asemenea o serie de produse care stau la baza industriei petrochimice si anume: acetilena, hidrogenul, negrul de fum. Ritmul de crestere al productiei de acetilena. Dat fiind ca procesele de descompunere termica sunt reactii endoterme, principala problema este realizarea rapida si uniforma a transferului unei cantitati apreciabile de caldura. Aceasta este impus de nivelul ridicat de temperatura necesar pentru a obtine conversii convenabile in produsele dorite. O parte din procedeele de fabricatie a acetilenei din metan si toate procedeele de fabricatie a negrului de fum, din aceeasi materie prima, sunt procedee de ardere partiala, in care descompunerea termica a unei parti din metan are loc datorita caldurii furnizate de arderea altei parti. Conform aceluiasi procedeu de „cracare autoterma” se poate obtine si etilena din fractiuni petroliere. In cazul descopunerii metanului, reactiile care au loc sunt: CH4 → C + 2H2 2CH4 → C2H2 + 3H2 C2H2 → 2C + H2 La temperaturi sub 1000ºC are loc conversia totala a metanului in elemente conform reactiei CH4 → C + 2H2, cu formare de negru de fum si hidrogen. La temperaturi intre 1400 – 1600ºC predomina reactia de formare a acetilenei dupa ecuatia 2CH4 → C2H2 + 3H2. Avand in vedere ca la temperaturi ridicate si timpi de reactie mai mari are loc descompunerea acetilentei in elemente dupa reactia C2H2 → 2C + H2, pentru a obtine conversii ridicate in acetilena este necesara „inghetarea echilibrului”. Procedeele de fabricatie a acetilenei din metan se caracterizeaza prin modul in care s-a rezolvat problema transferului rapid al cantitatii mari de caldura ce trebuie data. Din acest punct de vedere se cunosc procedee de piroliza in cuptoare cu recuperare de caldura (regenerative), procedee de ardere partiala (autoterme) si procedee cu arc electric. Cea mai mare dezvoltare au capatat procedeele de ardere partiala. In cazul procedeelor de piroliza prin ardere partiala, problema transferului de caldura si a „inghetarii echilibrului” are o serie de aspecte particulare. Realizarea unui transfer rapid si uniform de caldura este legata de amestecarea celor doi componentii gazosi: metanul si oxigenul. Un rol importanta il joaca: viteza de curgere a celor doua fluxuri, unghiul de intalnire al celor doua fluxuri (care nu trebuie sa fie mai mic de 90ºC), divizarea fluxurilor in jeturi, utilizarea unui dispozitiv de distributie si reducere a vitezei fluxului de gaze formate si realizarea unui bloc de distributie a flacarii. In afara de reactiile aratate mai sus, in cazul procesului de ardere partiala trebuie luate in consideratie si urmatoarele reactii exoterme, de ardere incompleta si completa, care furnizeaza caldura necesara descompunerii unei parti din metan: CH4 + ½ O2 → CO + 2H2 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Dispozitivele de amestecare a metanului cu oxigenul pot fi separate sau pot constitui acelasi agregat cu reactorul propriu-zis. Important este ca durata de ramanere a amestecului de gaze in acest dispozitiv sa fie mai mic decat perioada de
inductie necesara initierii reactiei de ardere la temperatura de amestecare si la un anumit raport oxigen/metan, pentru ca arderea sa nu aiba loc in dispozitivul de amestecare. Pe langa conditia de mai sus, viteza fluxului de gaze trebuie sa fie intotdeauna mai mare decat viteza de propagare a flacarii, pentru a evita exploziile in dispozitivul de amestecare sau pe liniile de alimentare. De asemenea, trebuie evitate variatiile de debit ale gazelor, care pot duce la stingerea flacarii. Aprinderea ulterioara a gazelor acumulate in reactor poate duce la explozia acestuia. Un front mai mult sau mai putin uniform al flacarii se poate obtine cu ajutorul unei mari diversitati de tipuri de amestecatoare, ca de exemplu, cu mai multe jeturi turbionare, cu fanta, cu ejectoare etc. In instalatiile industriale, metalul si oxigenul se incalzesc la circa 450ºC si sunt trecute cu o viteza suficient de mare pentru a realiza o curgere turbulenta (120 – 140 m/s) printr-o camera de amestecare si apoi printr-un arzator constituit dintr-un bloc de distributie ceramic, in care dispersia flacaroo se face fie printr-un numar mare de canale, fie printr-un mare numar de tuburi ceramice cu diametru mic (15 mm), asezate in directii perpendiculare. Gazele de reactie care parasesc arzatorul la 1600ºC sunt racite rapid la 80ºC printr-o ploaie directa de apa, imediat dupa iesirea lor din arzator. Gazele saturate cu apa mai contin o suspensie fina de carbune (ciraca 0,05 – 0,2 g/m3) si sunt trimise dupa filtrare in instalatia de separare a acetilenei. In procedeul de fabricare a acetilenei prin descompunerea metanului in arc electric pericolul exploziilor este legat de prezenta in gaze a acetilenelor superioare. Dicetilena concentrata se gaseste in conditii de descompunere (spre deosebire de acetilena) chiar si in vid. Ea poate sa se descompuna la presiuni normale, chiar diluata pana la 12% cu acetilena. De aceea concentratiile mai mari de 12% nu sunt admise in nici un punct al instalatiei. Triacetilena este si mai periculoasa. O solutie de 20% se incalzeste fara vreo influenta exterioara datorita puternicei tendinte de polimelizare. In ceea ce priveste pericolul pe care il prezinta acetilena, acesta este bine cunoscut. Descompunerea acetilenei are loc printr-o reactie exoterma cu dezvoltarea unei cantitati mari de energie (54 kcal/mol), iar temperatura creste pana la 3000ºC. Presiunea produsa prin descompunerea acetilenei este in medie de 12 ori mai mare decat presiunea initiala a gazului. Capacitatea de a se descompune face ca acetilena la presiuni ridicate sa devina foarte periculoasa, in special in momentul comprimarii sale. Descompunerea ei poate avea loc fara a fi necesara o amestecare a gazului cu oxigen sau aer. Ea se explica prin faptul ca atomii de carbon tind sa se combine pentru a forma carbon conform reactiei C2H2 → 2C + H2. Totusi descompunerea acetilenei nu se produce niciodata spontan. Pentru amorsarea acestui proces este necesara o anumita enegie, care poate fi introdusa in gaz sub forma de energie termica (o ridicare a temperaturii) de energie mecanica (printr-o izbitura violenta) sau de energie chimica. In lipsa de aer si la rece acetilena nu prezinta pericol la presiunea atmosferica. In amestec cu aerul si prin incalzire si in special dupa comprimare la presiuni peste 3 at, acetilena se descompune cu explozie. Descompunerea acetilenei este favorizata de prezenta unor catalizatori ca: oxizi metalici, hidroxid de fier (rugina), carbune activ etc. care pot scadea temperatura de explozie pana la 250 – 300ºC. Se pare ca prezenta descompunerii acetilenei; asigurand staturarea cu vapori de apa se micsoreaza eventualitatea unei explozii. De asemenea, pentru prevenirea descompunerii acetilenei a fost gasita eficace diluarea cu azot, hidrogen si hidrocarburi. Prin descompunerea termica a metanului sau a unor produse petroliere lichide se obtine negrul de fum. Proprietatile negrului de fum depind de modul in care se realizeaza descompunerea. Se cunosc astfel: negru de fun colectat in flacara, negru de fum colectat in gaze de ardere, negru de fum de canale, negru de fum de disociere si negru de fum de explozie. Formarea carbunelui are loc prin descompuneri termice, pe baza caldurii reactiilor exoterme de ardere a metanului, cat si prin descompunerea oxidului de carbon in carbon si bioxid de carbon dupa reactia: 2 CO → C + CO2 Suspensiile de negru de fum formate se pot colecta chiar din flacara, prin depunerea lor pe o suprafata metalica, intercalata in zona de ardere incompleta, sau din gazele de ardere interioara, in miezul flacarii, izolata de exterior printr-un invelis cald de bioxid de carbon incolor. Zona intermediara luminoasa, se datoreste incandescentei particulelor solide de carbon. In aceasta zona se mai gasesc si urmatoarele gaze: metan, etan, bioxid de carbon, oxid de carbon, hidrogen, azot si portoxid de azot. Grosimea flacarii si distanta la care incepe sa se formeze negrul de fum variaza in mica masura cu viteza de curgere a gazului. Intercalarea unei suprafete metalice in zona de ardere incompleta din flacara, provoaca depunerea si racirea suspensiilor de carbon formate. Pe de alta parte, suprafata metalica mentine carbunele la o temperatura suficient de inalta, pentru a volatiliza substantele organice reziduale. Temperatura optima pentru aceste doua scopuri este de 500ºC/ Procedeul de fabricare a negrului de fum prin disocierea termica a metanului in cuptoare este analog cu procedeul de fabricare a acetilenei prin combustia incompleta a metanului in amestecul de gaze variaza in jurul a 20%. Raportul oxigen/metan este de 0,48, iar timpul de contact este in acest caz mai mare, pentru a favoriza reactia mai inceata de formare a carbunelui. Negrul de fum de explozie, se fabrica, initiind cu o scanteie electrica, descompunerea acetilenei, in prealabil comprimata la 2 at. De asemenea se poate aplica si la acetilena arderea incompleta in flacara sau in cuptor. Conducerea acestor fabricatii necesita insa un control riguros al amestecului de gaze datorita pericolului de formare a amestecurilor explozive. Metoda cea mai raspandita in industrie este descompunerea termica prin incalzire indirecta la 800ºC. Reactia de descompunere a acetilenei, spre deosebire de cea a metanului, este exoterma, permitand o mare economie de energie calorica. Ea necesita insa indepartarea caldurii in reactie.
Gazele de ardere care ies din cuptor, fiind produse ale unei arderi incomplete, prezinta un pericol de explozie in cazul intrarii in sistem. Din aceasta cauza instalatia lucreaza sub presiune. Pentru a evita prin toate mijloacele formarea de amestecuri explozive cu aerul, inainte de oprirea instalatiei cuptoarele se pun in regim de ardere completa fara exces de aer pentru a asigura umplerea sistemului cu gaz inert. Negrul de fum este periculos caci se aprinde cu usurinta. Combustia sa provoaca o degajare abundenta de oxid de carbon. De asemenea el formeaza amestecuri explozive cu aerul ce se poate aprinde in prezenta unei flacari. Cea mai buna metoda pentru a evita amestecurile explozive cu aerul consta in tasarea negrului de fum ori de cate ori aceasta este posibil. In celelalte procese de descompunere termica cum sunt: piroliza fractiunilor petroliere pentru fabricarea etilenei, sau cracarea fractiunilor grele in scopul obtinerii benzinei, descompunerea termica are loc in cuptoare tubulare incalzite cu gaz metan la temperaturi care ating 800 - 850ºC (in cazul pirolizei benzinei) si presiuni pana la 50 – 60 at (in cazul cracarii termice). Pericolul de incendiu este legat de prezenta unor fractiuni petroliere lichide sau gazoase la temperaturi ridicate. Orice scurgere de produs in interiorul cuptorului, direct in zona focurilor, provoaca o aprindere intensa care poate duce la deformarea tevilor si chiar la deteriorarea constructiei cuptorului. Deteriorarea tevilor este explicabila avand in vedere conditiile grele in care functioneaza. Temperaturile ridicate din interiorul cuptorului (1000 - 1100ºC in zona de radiatie), actiunea corozica a produsului din tevi, precum si actiunea oxidanta a gazelor arse micsoreaza rezistenta mecanica a tevilor si provoaca uzura lor. In plus, tensiunile termica care apar in materialul tevilor, datorita incalzirii neuniforme a tevilor in diferite zone ale cuptorului provoaca slabirea materialului. 2. Procese de oxidare Prin procese de oxidare se inteleg in general acele reactii in care se introduce oxigen in molecula unei substante organice. Reactiile de oxidare cele mai des intalnite sunt arderile, in care substanta organica este oxidata complet pana la bioxid de carbon si apa. In industria chimica se aplica insa reactiile de oxidare incompleta, care permit separarea unor compusi intermediari de mare insemnatate. Astfel prin oxidarea incompleta a metanului se obtine alcool metilic dupa reactia: CH4 + ½ O2 → CH3OH De asemenea oxidarea acetaldehidei la acid acetic are loc dupa reactia: CH3 – CHO + ½ O2 → CH3 – COOH Prin oxidarea directa a etilenei se formeaza in faza gazoasa oxid de etilena: CH2 = CH2 + ½ O2 → CH2 – CH2 \ / O iar in faza apoasa se formeaza glicol dupa reactia: CH2 = CH2 + ½ O2 + H2O → CH2 – CH2 | | OH OH Oxidarea incompleta a metanului poate avea loc si cu eliminarea simultana a doi atomi de hidrogen cu formare de formaldehida, dupa reactia: CH4 + O2 → CH2O + H2O sau cu formare de oxid de carbon si de hidrogen (gaz sinteza), dupa reactia: CH4 + ½ O2 → CO + 2H2 Se considera reactii de oxidare si reactiile in care nu are loc introducerea de oxigen in molecula, ci numai eliminarea de atomi electropozitivi (atomi de hidrogen). Astfel alcoolul metilic poate fi hidrogenat la formaldehida: CH3OH → CH2O + H2 Aceasta reactie poate avea loc si in urma unei oxidari partiale: CH3OH + ½ O2 → CH2O + H2O Marea majoritate a reactiilor de oxidare sunt reactii exoterme ce degaja cantitati insemnate de caldura (∆Hº are valori numerice negative apreciabile).
Efectele termice importante au si reactiile de oxidare ale hidrocarburilor olefinice sau aromatice. Astfel in cazul formarii oxidului de etilena ∆H = - 35 kcal/mol, iar la oxidarea naftalinei in anhidrica ftalica ∆H = - 460 kcal/mol. Caldura ce se degaja in timpul reactiilor de oxidare trebuie preluata prin racirea reactorului. De cele mai multe ori se utilizeaza pentru racire apa, generandu-se in acest fel abur. Alteori cand procesul nu permite folosirea directa a apei se utilizeaza un alt agent de racire cum ar fi: difil, saruri topite etc. Exista doua procedee de oxidare: in faza gazoasa si in faza lichida. Oxidarile in faza gazoasa se pot face cu aer, cu oxigen pur sau diluat in faza omogena sau eterogena in prezenta de catalizatori gazosi, lichizi sau solizi. La oxidarile in faza lichida se poate intrebuinta atat oxigen, cat si agenti de oxidare care cedeaza oxigenul lor in timpul reactiei. Printre cei mai utilizati sunt: hipocloriti, permanganat de potasiu, bicromati, bioxid de mangan, apa oxigenata etc. In faza gazoasa, posibilitatea de izolare a produsilor intermediari de oxidare este limitata intr-o zona ingusta de temperatura, de timpul de contact, raportul suprafata/volum al reactorului etc. In afara limitelor admise pentru conditiile de lucru se formeaza produsi de oxidare mai avansata sau chiar produsi de ardere. Pe masura ce o cantitate mai mai de substanta organica trece in produsi de ardere, problema preluarii caldurii de reactie devine mai dificila. Odata cu cresterea temperaturii sistemului, creste considerabil viteza de reactie, aceasta putand lua un caracter exploziv. Din punct de vedere termodinamic, reactiile de oxidare in faza gazoasa sunt realizabile la temperaturi intre 400º si 700ºC. Exista o corelatie stransa intre temperatura, timp de contact si raportul oxigen-hidrocarburi. In acest domeniu de temperaturi se situeaza si temperaturile de autoprindere ale hidrocarburilor respective (650ºC in cazul metanului, 542ºC in cazul etilenei, 553ºC pentru xilen etc.). Intrebuintarea catalizatorilor de oxidare gazosi (oxizi de azot, clor) sau solizi (nichel, cupru, argint, saruri de cobalt) permite scaderea temperaturii de reactie cu 150 – 200ºC si cresterea diferentei pana la temperatura de aprindere spontana. Avand in vedere ca se lucreaza cu amestecuri de vapori organici si aer sau oxigen, conditiile de reactie nu trebuie sa permita formarea de amestecuri explozive. Proportia dintre reactanti trebuie astfel calculata incat amestecul sa se situeze in afara limitelor de explozie. Se lucreaza fie sub limita inferioara de aprindere, fie deasupra limitei superioare. Astfel, in cazul oxidarii metanului la formaldehida se utilizeaza un raport metan/oxigen foarte mare (10/1 – 15/1), amestecul situandu-se deasupra limitei superioare de aprindere care este de 15% metan in amestec cu aerul. Oxidarea se face la temperatura de 400ºC in prezenta oxizilor de azot drept catalizatori temperaturi de autoaprindere a amestecului metan-aer fiind de 650ºC. Alte ori se utilizeaza excese mari de aer sau oxigen pentru a fi sub limita inferioara de aprindere, cat si pentru eliminarea caldurii de reactie. Astfel in cazul oxidarii naftalinei la anhidrica ftalica se lucreaza cu raporturi aer-naftalina 30/1 – 40/1, de 5 – 8 ori mai mari decat cantitatea teoretica de oxigen. La concentratii care depasesc 50 g naftalina la 1 m3 aer exista riscuri mari de explozie. Pe langa pericolul formarii amestecurilor explozive de reactanti-aer, este necesar sa se evite formarea unor amestecuri explozive ale produsilor de reactie cu aerul. Astfel in cazul oxidarii etilenei la oxid de etilena, zona concentratiilor explozive este de 3 – 29% pentru etilena-aer si 3 – 80% pentru oxid de etilena aer. Pentru a se calcula compozitiile explozive se utilizeaza diagrame ternare care permit alegerea conditiilor de lucru pentru diverse raporturi dintre reactanti. In general la presiunea si temperatura ordinara, concentratii in jurul a 10% oxigen determina compozitii in afara de zona de explozie pentru orice raporturi etilena/oxigen. Pentru evitarea reactiei de oxidare completa (ardere) se recomanda intrebuintarea in cantitati forate mici a unor inhibitori, cum ar fi dicloretanul, clorura de etil si tetraetilul de plumb in cazul oxidarii etilenei. Cantitati de 0,02% dicloretan in amestecul supus oxidarii mareste randamentul in oxid ale etilena cu 10% in detrimentul formarii produsilor de ardere. Uneori, pentru a nu se dilua produsele de reactie cu azot, greu de separat, se utilizeaza oxigen pur in loc de aer. In acest caz se face diluarea oxigenului cu abur, ceea ce permite totodata separarea usoara a produselor de reactie prin condensarea aburului. Pentru oxidarea in faza gazoasa se utilizeaza in general reactoare multitubulare cu catalizator solid, care sa asigure o preluare rapida a caldurii de reactie in spatiul dintre tevi. In ultima vreme reactoarele multitubulare caracteristice proceselor puternic exoterme tind sa fie inlocuite cu reactoare cu catalizatorul in strat fluidizat. In acest fel creste atat productivitatea cat si posibilitatea preluarii caldurii de reactie. Oxidarea in faza lichida permite un control mai riguros al reactiei, datorita posibilitatilor mai mare de repartizare uniforma si de eliminare a caldurii de reactie. Totusi, exista si aici pericolul formarii amestecurilor explozive in gazele reziduale. Din aceasta cauza se prefera ca oxidarea sa se faca cu aer si nu cu oxigen, azotul din aer servind ca diluant al gazelor dupa reactie. In unele cazuri insa, cand substanta organica supusa oxidarii este prea volatila (de exemplu oxidarea acetaldehidei cu punct de fierbere 20,8ºC), se foloseste agent drept oxidant oxigenul pur sau un ameste de oxigen si azot in raport de 1/1, deoarece folosind aerul ca agent oxidare au loc pierderi considerabile de substanta prin antrenarea ei de catre azotul din gazele reziduale. Pentru a nu se forma amestecuri explozive, in acest cazm gazele reziduale ce contin oxigen in exces, bioxid de carbon si vapori de substanta organica sunt diluate cu azot la iesirea din zona de reactie. In cazul oxidarilor in faza lichida, un pericol deosebit il prezinta formarea de peroxizi, substante puternic explozive. Astfel la oxidarea acetaldehidei in acid acetic se formeaza intermediar acidul peracetic dupa reactia: CH3 – CHO + O2 → CH3 – COOOH Aceasta poate reactiona mai departe cu o noua molecula de acetaldehida, fie pentru a da anhidrica acetica, fie pentru a produce acid acetic: CH3 – CO – O – CO – CH3 + H2O CH3 – COOOH + H3 – CHO / anhidrida acetica \ 2 CH3 – COOH acid acetic
Acidul peracetic explodeaza la temperatura de 55ºC. Pentru evitarea acumularii lui in zona de reactie se utilizeaza drept catalizator saruri de mangan (acetat de mangan). Sarurile de mangan au rolul de a descompune acidul peracetic, impiedicand astfel formarea unor concentratii periculoase. La oxidarea izopropilbenzenului pentru fabricarea fenolului si acetonei se formeaza ca intermediar hidroperoxid de izopropilbenzen. Hidroperoxidul de izopropilbenzen se descompune cu explozie la temperaturi de 135 - 140ºC. De aceea nu este permisa cresterea temperaturii in zona de reactie peste 100 - 110ºC. La concentratii ale hidroperoxidului de izopropilbenzen peste 40%, masa de reactie devine exploziva. De asemenea, cand se lucreaza cu apa oxigenata ca agent de oxidare exista pericolul formarii hidroperoxizilor. Metilhidroperoxidul si etilhidroperoxidul sunt substante explozive prin incalzire. Oxidarea in faza lichida se realizeaza in general in turnuri de reactie, prevazute cu serpentine de racire pentru preluarea caldurii de reactie, in care se barboteaza aer sau oxigenn. In concluzie se poate spuna ca in procesele de oxidare exista un pericol permanent de incendiu si explozie datorita posibilitatii formarii amestecurilor explozive ale substantelor oganice si aer, cat si datorita formarii peroxizilor explozivi. 3. Procese de hidrogenare Sunt considerate procese de hidrogenare acele reactii in care are loc introducerea unui sau a mai multor atomi de hidrogen in molecula compusilor organici. Reduceri sunt numite reactiile de aditie sau substitutie cu hidrogen produs in momentul reactiei (hidrogen „nascand”). Cele mai importante aplicatii ale acestui proces in industrie sunt: hidrogenarea carbunilor in scopul fabricarii benzinei sintetice, obtinerea alcoolului metilic prin hidrogenarea oxifului de carbon, hidrogenarea grasimilor lichide in grasimi solide, obtinerea izooctanului din diizobutilena, fabricarea alcoolului furfilic din furfurol, reducerea nitrobenzenului in anilina etc. Hidrogenul se poate aditiona la hidrocarburile nesaturate cu dubla si tripla legatura si la hidrocarburi aromatice. Olefinele trec prin hidrogenare in parafine corespunzatoare, conditiile de temperatura si presiune variind in limite largi cu natura catalizatorului si cu structura olefinei. Astfel etilena poate fi hidrogenata la etan la presiunea atmosferica in prezenta nichelului, la temperaturi de 100 – 200ºC conform reactiei: CH2 = CH2 + H2 → CH3 iar diizobutilena trece in izooctan lucrand la presiuni de 3 – 4 at: (CH3)3C – CH = C(CH3)2 + H2 → (CH3)3C – CH2 – CH (CH3)2 diizobutilena izooctan Prin aditia hidrogenului la dubla legatura C = O se fomeaza alcooli primari in cazul aldehidelor si alcooli secundari in cazul cetonelor. Astfel prin reducerea acetonei se obtine alcool izopropilic dupa reactia: CH3 – CO – CH3 + H2 → CH3 – CHOH – CH3 In practica se aplica insa reactia inversa, de dehidrogenare a alcoolului izopropilic in acetona, intrucat alcoolul izopropilic este mai usor accesibil, iar consumul de acetona este mai mare. Nitroderivatii se pot reduce in amine fie cu hidrogen in stare „nascanda”, fie cu hidrogen molecular in prezenta de catalizatori. In cazul nitrobenzenului se obtine anilina: C6H5 – NO2 + H2 → C6H5 – NH2 nitrobenzen
anilina
Procesele de hidrogenare pot decurge in faza gazoasa, lichida sau mixta. In faza gazoasa, realizandu-se raporturi mari intre hidrogen si substanta organica, pericolul de explozie este mai ridicat decat in cazul hidrogenarii in faza lichida, cand acest raport este limitat de solubilitatea hidrogenului in substanta organica. Hidrogenarea carbunilor se face in doua trepte: in prima treptata se hidrogeneaza in faza lichida o pasta formata din praf de carbune si ulei obtinut in hidrogenarile precedente, iar in treapta a doua se hidrogeneaza uleiului mediu obtinut, care distila intre 200 si 400ºC, in faza de vapori. Reactiile de hidrogenare sunt favorizate de presiuni ridicate intrucat cresterea presiunii mareste concentratia hidrogenului in mediul de reactie si deci viteza de reactie. In ceea ce priveste temperatura optima de hidrogenare, aceasta variaza cu natura catalizatorului si a substantei ce se hidrogeneaza. Utilizand drept catalizatgori metale nobile (platina, paladiu), se poate lucra la temperaturi mai scazute (100 – 150°C). In schimb cu celelalte metale sau oxizi metalici (crom, fier, oxid de crom, oxid de zinc) trebuie sa se lucreze la temperaturi cuprinse intre 250 si 450°C. Aceasta mareste pericolul de incendiu, intrucat temperatura de lucru depaseste de multe ori temperatura de autoaprindere a substantei organice supuse hidrogenarii. In cazul hidrogenarii grasimilor, temperatura de lucru este de 250 – 260°C, iar presiunea poate ajunge pana la 100 at. La hidrogenarea carbunilor este necesar sa se lucreze la temperaturi de 450°C si presiuni de 200 – 300 at. Camerele de reactie in procesele de hidrogenare la presiune inalta au forma unor cilindri verticali din otel special avand inaltimea de
circa 18 m si capacitatea de circa 40 m3. Intrucat trebuie sa reziste la presiuni mari, grosimea peretilor acestor camere poate atinge 14 cm, iar greutatea depaseste 200 t. In general aceste camere sunt montate intr-o zidarie de beton, pentru limita efectelor eventualelor explozii. Drept catalizatori in reactiile de hidrogenare se folosesc un numar mare de metale, oxizi metalici si saruri ale metalelor. Utilizarea metalelor drept catalizatori si in special a nichelului se datoreste faptului ca ele absorb pe suprafata lor cantitati insemnate de hidrogen (mai ales cand sunt sub forma de pulberi si la temperaturi ridicate). Hidrogenul absorbit se disociaza in atomi, ceea ce face sa fie deosebit de reactiv. Prepararea catalizatorilor de hidrogenare prezinta de asemenea un pericol de incendiu. Catalizatorii metalici se prepara prin reducerea oxizilor respectivi cu hidrogen la temperaturi specifice fiecarui oxid (oxidul de nichel la 350°C, oxidul de cobalt la 400°C, iar oxidul de crom la peste 500°C). Trebuie avut in vedere ca acesti catalizatori, obtinuti prin tratarea cu hidrogen a oxizilor, au insusiri piroforice aprinzandu-se in aer chiar la temperaturi obisnuite. In special catalizatorul nichel Raney, preparat prin tratarea unui aliaj nichel-aluminiu cu o solutie de hidroxid de sodiu, este deosebit de activ in stare redusa datorita aspectului sau buretos. In contact cu aerul se aprinde si arde cu flacara albastruie. Arderea continua pana la completa epuizare a substantei, ramanand o cenusa ce reprezinta suportul pe care a fost depus catalizatorul (carbune, kiselurg etc.). In procesul de hidrogenare a grasimilor este folosit drept catalizator formiatul de nichel. Obtinerea acestuia nu este o operatie periculoasa. In schimb descompunerea lui in retorte la 200°C in mediu de ulei si sub alimentare continua de hidrogen prezinta pericol de incendiu. La descarcarea catalizatorilor catalizatorului din retorta, datorita patrunderii aerului, este posibila formarea de amestecuri explozive. Din aceasta cauza retortele se sufla cu azot sau bioxid de carbon inainte de descarcare si la inceperea lucrului. Propagarea catalizatorului cupru-nichel este mai putin periculoasa intrucat descompunerea carbonatilor de cupru si nichel se executa chiar in autoclave de hidrogenare. Se elimina astfel retortele incalzite de obicei cu foc direct. In schimb actiunea coroziva a acestor catalizatori este mai intensa. Procesele de hidrogenare prezinta un accentuat pericol de incendiu si explozie datorita folosirii hidrogenului. Este cunoscut faptul ca hidrogenul formeaza cu aerul amestecuri explozive in limite foarte largi (4 – 74,2%). Cum procesele de hidrogenare au loc la presiuni ridicate, limita inferioara de aprindere si explozie se micsoreaza, largind intervalul. Hidrogenul se caracterizeaza printr-o viteza mare de difuziune intrucat fiind cel mai usor dintre gaze (de circa 15 ori mai usor ca aerul) moleculele lui se misca mai repede decat toate celelalte. Astfel hidrogenul trece prin porii metalelor, fisurile vaselor sau prin garnituri de etansare moi. Aceasta face ca in incaperile in care se lucreaza cu hidrogen sa existe un pericol permanent de formare a amestecurilor explozive. Amestecul de hidrogen si aer, respectiv de oxigen, in raport de doua volume hidrogen si un volum oxigen se numeste gaz detonant. Pericolul formarii gazului detonant este intru-catva micsorat datorita greutatii specifice mici si gradului mare de difuziune a hidrogenului, ceea ce face ca in atmosfera deschisa, hidrogenul sa se risipeasca usor, iar in incaperi inchise sa se acumuleze sub plafon deasupra stratului de aer. 4. Procese de halogenare In cadrul proceselor de halogenare se cuprind reactiile prin care se introduc atomii de halogen in molecula compusilor organici. Clasificarea acestor reactii se poate face din mai multe puncte de vedere. Astfel, ele pot fi clasificate, dupa natura agentului de halogenare, in reactii de fluorurare, clorurare, bromurare si iodurare. Cea mai mare importanta practica o au reactiile de clorurare. Obtinerea hexacloranului si a DDT – ului prin clorurarea benzenului, respectiv a alcoolului, fabricarea clorurii de metil, a cloroformului si a tetraclorurii de carbon prin clorurarea metanului, obtinerea clorurii de vinil, fabricarea clorbenzenului sunt numai cateva exemple de aplicare a proceselor de clorurare in industrie. Dupa mecanismul reactiei sau dupa metoda de lucru folosita procesele de halogenare se impart in reactii in faza gazoasa sau in faza lichida, la temperatura inalta sau joasa cu sau fara catalizatori. Introducerea halogenilor in molecula compusilor organici se poate face fie prin halogenare directa cu clor, brom, iod si in rare cazuri cu flour, fie cu ajutorul unor compusi halogenatica: acid fluorhidric (HF), clorhidric (HCl), bromhidric (HBr), iodhidric (HI), acid hipocloros (HOCl) sau cloric (HClO3), unele cloruri acide fosgenul (COCl2) sau clorura de sulfuril (SO2Cl2). Clorul utilizat ca agent de clorurare se prezinta sub forma unui gaz de culoare galbena verzuie cu miros puternic innecacios. Este depozitat si transportat in stare lichefiata la presiunea de 6 at in cisterne de cale ferata sau tuburi de otel. Este foarte activ din punct de vedere chimic. Astfel combinarea clorului cu hidrogenul pentru a da acid clorhidric are loc o explozie la o incalzire a amestecului de gaz sau la o iluminare puternica. Dupa o aprindere prealabila a hidrogenului acesta continua sa arda cu flacara linistita. In mod asemantor are loc arderea metanului in clor. Cu acetilena clorul formeaza amestecuri care explodeaza numai sub actiunea luminii. Reactiile de haloganare se impart in doua mari grupe: reactii de substitutie si reactii de aditie. In reactiile de substitutie halogenul poate substitui atomi de hidrogen sau grupe functionale ca – OH, - SO3H. Halogenarea prin aditie are loc in cazul combinatiilor nesaturate cu dubla sau tripla legatura. Combinatiile nesaturate pot da insa, in functie de conditiile de lucru atat reactii de aditie, cat si de substitutie. In general, reactiile de halogenare sunt exoterme. La reactiile de substitutie, caldura de reactie ΔH este foarte mare in cazul reactiilor de fluorurare (circa 100 kcal/mol). Caldura de reactie creste odata cu numarul atomilor de carbon din molecula si cu cresterea posibilitatilor de substitutie a atomilor de hidrogen din diverse pozitii. In cazul reactiilor de aditie a clorului si bromului la duble legaturi olefinice, caldura de reactie ΔH este de ordinul 30 pana la 40 kcal/mol.
La reactiile de substitutie in faza gazoasa controlul temperaturii este mai greu de facut din cauza dificultatilor de repartitie si eliminare a caldurii de reactie. De aceea cand se lucreaza in faza gazoasa se face diluarea amestecului de reactie cu un exces mare de hidrocarbura sau de clor, diluantul servind pentru preluarea caldurii de reactie. Drept diluant se poate folosi de asemenea aburul, azotul sau acid clorhidric. Alteori se lucreaza intr-un dizolvant lichid inert fata de halogen, cum ar fi tetraclorura de carbon, cloroform, sulfura de carbon. Astfel, clorurarea directa a acetilenei nefiind posibila din cauza pericolelor de explozie, reactia se face prin barbotarea acetilenei si a clorurii in tetracloretan care serveste ca dizolvant si este recirculat continuu. In cazul reactiilor de fluorurare directa, efectul termic al reactiei este atat de puternic, incat reactia capata imediat dupa initiere un caracter exploziv. Din aceasta cauza pentru realizarea reactiei de floururare directa este absolut necesara asigurarea posibilitatii de control a temperaturii de reactie, fie prin diluare cu gaze inerte, fie prin utilizarea unor reactoare cu umpluturi metalice (site) capabile sa absoarba repede caldura degajata. Reactiile in faza lichida permit un control mai riguros al reactiei si deci pericolul de explozie este micsorat. In schimb lucrandu-se cu cantitati mari de lichide organice inflamabile exista pericol de incendiu datorita patrunderii aerului peste produsul incalzit. Reactiile de clorurare au loc la temperaturi cuprinse intre 40˚C si 500˚C. In general in faza gazoasa se lucreaza la temperaturi inalte. Astfel clorurarea directa cu clor a metanului are loc la temperaturi de 500˚C. Clorurarea benzenului in faza de vapori se produce la 400˚C, pe cand in faza lichida se lucreaza la 40˚C in prezenta de catalizatori (fier sau aluminiu). Este limpede ca in cazul reactiilor in faza gazoasa, prin acumularea caldurii de reactie, se poate atinge usor temperatura de autoaprindere a substantei organice supuse clorurarii (580˚C in cazul benzenului). Pentru scaderea temperaturii de clorurare se foloseste clorurarea fotochimica sau actiunea catalizatorilor. Catalizatorii cei mai intrebuintati sunt clorura ferica (FeCl3), clorura de cupru (CuCl2), carbunele, fierul etc. Procedeele fotochimice se aplica atat in gazoasa cat si in faza lichida, substanta supusa clorurarii circuland prin tevi inguste de sticla Pirex sau de cuart, dispuse in jurul sursei luminoase. Se utilizeaza de obicei ca sursa luminoasa lampi de mercur cu radiatii de lungimi de unda intre 3000 si 5000 Å (Angström = 10-7 mm). Clorurarea fotochimica prezinta avantajul unei initieri rapide fara a fi necesara preincalzirea substantei organice. In schimb, in caz de accidente, orice defectiune a sursei luminoase poate deveni o sursa de aprindere a substantei organice. In cazul reactiilor de clorurare prin substitutie , ca produs de reactie secundar se formeaza acidul clorhidric, extrem de coroziv. Din aceasta cauza asigurarea etanseitatii aparaturii este o problema deosebit de grea, mai ales cand se lucreaza la temperaturi inalte. Ori, in multe cazuri pericolul de explozie si incendiu este legat de neetanseitatile aparaturii ca urmare a coroziunii chimice. Patrunderea aerului prin creearea uni vid in interiorul reactorului permite formarea unor amestecuri explozive de vapori de substante organice si aer. Instalatiile industriale de clorurare in faza gazoasa sunt construite, cand se lucreaza in mediu anhidru, din otel, fonta silicioasa, plumb sau nichel. Cand nu se poate evita umiditatea de utilizeaza cuart, ceramica sau tantal. In faza lichida, la temperaturi joase se pot utiliza vase captusite cu rasini sintetice sau cu cauciuc. Emailurile se utilizeaza la vase cu dimensiuni mici, orice fisura provocand insa coroziunea rapida a intregii suprafete emailate. Foarte multi considera ca produsii clorurati nu sunt inflamabili. Acest punct de vedere este cu totul gresit si periculos. Este adevarat ca introducerea atomului de clor in molecula substantei organice are un efect ignifug, ceea ce face ca produsul clorurat sa devina mai putin inflamabil decat substanta organica supusa clorurarii. Astfel benzenul are un punct de inflamabilitate – 11˚C, in timp ce produsul clorurat – clorbenzenul 28,5˚C. Trebuie avut insa in vedere faptul ca majoritatea produsilor clorurati sunt substante inflamabile. Numai produsii clorurati in care s-a facut substituirea completa a atomilor de hidrogen de clor, cum ar fi tetraclorura de carbon sunt neinflamabili si se utilizeaza ca agent stingator in stingatoarele de incendiu. Clorura de vinil este un gaz inflamabil care formeaza cu aerul amestecuri explozive in limitele 4 – 22% volum. Pentru clorura de etil limitele sunt 7,5 – 55%. Un mare pericol de incendiu il constituie operatia de distilare a solutiilor clorurate, in scopul indepartarii substantei organice sau a produselor de clorurare incompleta. Astfel la distilarea fractiei uleioase, obtinuta de la clorurarea alcoolului, se separa alcoolul nereactionat si produsi clorurati inferiori, care pot forma cu aerul amestecuri explozive. 5. Procese de nitrare Prin nitrare se intelege, in general, procesul prin care se introduce grupa nitro (- NO2) legata de un atom de carbon. Cea mai mare importanta practica o prezinta nitrarea hidrocarburii aromatice. Astfel prin nitrarea benzenului se obtine nitrobenzenul folosit in cea mai mare parte la fabricarea anilinei. C6H5 + HO – NO2 → C6H5 – NO2 + H2O benzen acid azotic nitrobenzen Nitroclorbenzenul Cl-C6H4-NO2 obtinut prin nitrarea clorbenzenului, serveste pentru sinteza unor materii colorante si a unor produsi intermediari in industria farmaceutica. Cel mai intrebuintat agent de nitrare este acidul azotic singur sau in amestec cu acidul sulfuric. Oxizii de azot: hipoazotita (NO2) si tetroxidul de azot (N2O4) pot da reactii de nitrare in prezenta acidului sulfuric sau a unor catalizatori. Toate reactiile de nitrare sunt puternic exoterme. Caldura ce se degaja in timpul reactiei variaza intre 20 – 40 kcal/mol. La evaluarea efectului termic in cursul acestor procese trebuie sa se tina seama si de efectele termice datorate unor reactii paralele posibile (oxidare, cracare), cat si de caldurile de dizolvare si de diluare ale reactantilor. Este cunoscut faptul ca prin diluarea acidului azotic cu apa se degaja cantitati insemnate de caldura (pana la 8 kcal/mol). De asemenea dizolvarea acidului sulfuric in apa este insotita de o foarte mare degajare de caldura (pana la 22 kcal/mol).
In general, conducerea reactiilor de nitrare nu este usoara, din cauza dificultatilor de eliminare rapida a caldurii dezoltate in cursul reactiei. Cand se utilizeaza amestecuri nitrante cu un continut initial in apa mai mare efectul termic al reactiei este mai mic si reactia poate fi condusa mai usor. Din punctul de vedere al conducerii reactiei este deci mai avantajos sa se faca nitrarea cu amestecuri nitrante mai diluate si la temperaturi mai inalte, decat sa se lucreze cu amestecuri nitrante cu o concentratie mai mare in acizi, la temperaturi joase. Temperatura este de mare importanta pentru mersul reactiei de nitrare. Temperatura optima cu natura substantei si cu concentratia amestecului nitrant in limite largi (de la – 10˚C pana la 120˚C). Regimul de temperatura trebuie respectat cu strictete. Scaderea temperaturii sub un anumit nivel micsoreaza viteza de reactie si provoaca acumularea de amestec nitrant; aceasta acumulare poate produce, la o noua ridicare a temperaturii, explozii violente. Realizarea unei viteze de reactie potrivite, astfel incat caldura de reactie sa poata fi eliminata fara ridicari bruste de temperatura, depinde in mare masura si de eficacitatea agitarii reactantilor. In general, reactiile de nitrare in faza lichida au loc in sistem eterogen format dintr-o faza organica si o faza anorganica (amestec nitrant) foarte putin miscibile una cu alta. Reactia de nitrare are loc in ambele faze, viteza reactiei de nitrare in faza acida fiind de cateva ori mai mare decat in faza organica. Saturatia fazei acide cu compusul organic se realizeaza cu atat mai usor cu cat se asigura o suprafata de contact mai mare intre reactanti, prim emulsionarea amestecului de reactie. 6. Procese de sulfonare In general se numesc procese de sulfonare reactiile in care se introduce prin substitutie sau prin aditie grupa – SO3H in compusii organici. Prin reactiile de sulfonare se formeaza acizii sulfonici cu formula generala R – SO3H in care grupa sulfonica este legata de un atom de carbon. Cea mai mare importanta practica o au acizii sulfonici obtinuti prin sulfonarea hidrocarburilor aromatice, ei constituind materii prime in industria materiilor colorante, a produselor farmaceutice si a detergentilor. Ca agenti de sulfonare se utilizeaza: oleum, acid sulfuric (H2SO4), acidul clorsulfuric (ClSO3H), anhidrica sulfurica (SO3) si intr-o masura mai mica: bioxidul de sulf (SO2), sulfatul acid de sodiu (NaHSO4), sulfitul de sodiu (Na2SO3) etc. Astfel benzenul se poate sulfona cu acid sulfuric de concentratie 98% la temperaturi intre 80 – 100ºC; acidul benzen-sulfonic astfel preparat poate fi sulfonat mai departe de la 200 – 250ºC obtinandu-se acidul m-benzen-disulfonic. Sulfonarea acestuia la temperaturi si mai inalte (300ºC) are ca urmare formarea acidului 1,3,5-benzen-trisulfonic. La sulfonarea toluenului se obtine un amestec de acizi orto- si para-toluen-sulfonici: De asemenea la sulfonarea naftalinei se obtin un numar mare de acizi sulfonici izomeri, intrebuintati ca materii prime la fabricarea colorantilor azoici. Efectul termic in reactiile de sulfonare variaza in limite largi cu natura agentului de sulfonare utilizat, cu natura compusului supus sulfonarii si cu conditiile de lucru. Un criteriu de evaluare a acestui efect termic este utilizarea drept valoare de referinta, a efectului termic in reactiile de sulfonare cu anhidrida sulfurica (SO3) pentru substanta luata in consideratie. In acest caz efectul termic global este dat de suma algebrica a efectului termic al reactiei de sulfonare cu SO3 (puternica exoterma) si a efectului termic al reactiei de disociere a agentului de sulfonare in SO3. ΔHglobal = ΔHsulf. so3 – ΔHdisociere La sulfonarea dodecilbenzenilor utilizati la fabricarea detergentilor efectul termic pentru diferiti agenti este dat in tabela 18: Tabela 18 Sulfonarea dodecilbenzenilor Agent de sulfonare SO3 vapori SO3 lichid Oleum cu 20% SO3 H2SO4 98%
Efect termic (pe kg SO3 reactionat) ΔH = - 507 kcal/kg ΔH = - 382 kcal/kg ΔH = - 302 kcal/kg ΔH = - 240 kcal/kg
Datorita cantitatilor de caldura ce se degaja din reactie o problema principala in fabricarea acizilor sulfonici este asigurarea temperaturii de reactie. La sulfonarea in faza lichida, acidul sulfuric se adauga in portiuni mici peste compusul organic, astfel incat temperatura sa nu depaseasca 40ºC. In aceasta perioada trebuie asigurata o racire eficienta. Dupa ce s-a adaugat intreaga cantitate de acid se ridica temperatura la 100 – 110ºC si se distila compusul organic nereactionat. Acidul sulfuric foarte concentrat (de la 93% in sus) nu ataca fierul, ceea ce permit transportarea sa in cisterne de otel. Acidul sulfuric diluat insa, corodeaza puternic fierul cu degajare de hidrogen. Coroziunea favorizeaza aparitia fisurilor si deci neetanseitatea aparaturii, ceea ce conduce la scurgeri de lichide inflamabile. Chiar in cazul neaparitiei fisurilor, coroziunea micsoreaza rezistenta mecanica ceea ce poate duce la explozii in situatia cand se lucreaza la presiuni ridicate. 7. Procese de polimerizare
Prin polimerizare se intelege, in general, procesul de transformare a unei substante cu greutate moleculara mica intr-o substanta cu greutate moleculara mai mare, avand aceeasi aranjare a atomilor si aceeasi compozitie procentuala. Polimerizarea are o deosebita importanta practica, ducand la sintetizarea unui mare numar de rasini. Astfel prin polimerizarea unui numar n de molecule de clorura de vinil se obtine policlorura de vinil conform reactiei: n (CH2 = CHCl) → - CH2 – CHCl – CH2 – CHCl = CH2 – Polimerizarea stirenului conform aceluiasi mecanism conduce la obtinerea polistirenului: n C6H5 – CH = CH2 → [- CH – CH2 - ] n | C6H5 Cele mai multe reactii de polimerizare au loc prin mecanismul reactiilor in lant. Radicalii liberi, initiatori ai lantului, pot lua nastere prin activarea monomerului pe cale termica sau fotochimica sau pot proveni din descompunerea in mediul de reactie a unor substante denumite initiatori. Adeseori in practica initiatorii sunt denumiti in mod impropriu catalizatori. Astfel de substante sunt peroxizi (peroxid de benzoil, peroxid de lauroil, apa oxigenata), hidroperoxizi (hidroperoxizid de cumen, hidroperoxizid de butil tertiar), persulfat de sodiu, azo-derivati, derivati alchilati ai metalelor (clorura de etil-aluminiu, amil-sodiu) etc. Acesti compusi se consuma in cursul reactiei, iar o parte din molecula lor ramane fixata la capetele macromoleculari. Astfel, peroxidul de benzoil se descompune in radicali dupa schema: C6H5 – CO – O – O – OC – C6H5 → 2CH6H5.COO. → 2C6H5. + 2 CO2 Radicalii liberi formati se aditioneaza la monomer creand noi radicali liberi cu greutate moleculara mai mare, care actioneaza la randul lor mai departe. Adeseori viteza de propagare creste atat de rapid incat reactia nu mai poate fi controlata, putand duce la explozii ale vasului de polimerizare daca presiunea nu este rapid evacuata. Se spune ca reactia sa “ambalat”. Toate reactiile de polimerizare sunt exoterme, caldura de reactie fiind cuprinsa intre 12 – 23 kcal/mol olefina polimerizata. Avand loc o micsorare apreciabila de volum, reactiile de polimerizare sunt favorizate din punct de vedere termodinamic de presiuni inalte si temperaturi joase. Anumite reactii de polimerizare, cum ar fi polimerizarea etilenei la presiune inalta, au loc la presiuni pana la 2000 at. Majoritatea reactiilor de polimerizare au loc insa la presiuni ce nu depasesc 6 – 8 at. In ceea ce priveste temperatura de reactie, aceasta variaza in limite mari. Astfel, polimerizarea izobutilenei la temperaturi joase are loc la 104ºC in etilena lichida drept solvent, in timp ce polietilena polimerizeaza la 260ºC. Dupa natura sistemului de faze in care se realizeaza, procedeele de polimerizare aplicate industrial sunt: polimerizarea in bloc, in solutie, in suspensie si in emulsie. Substantele ce se supun polimerizarii se numesc monomeri si sunt in general gaze sau lichide inflamabile. In tabela 19 se dau caracteristicile principale ale celor mai importanti monomeri din punct de vedere al pericolului de aprindere si explozie. Cu exceptia etilenei care este putin mai usoara decat aerul (densitatea fata de aer 0,97) toti ceilalti monomeri gazosi cat si vaporii monomerilor lichizi sunt mai grei decat aerul. Gazele si vaporii se acumuleaza in partile inferioare ale incaperilor, in canale de conducte, camine de canalizare, gropi etc., putand provoca explozii in prezenta unei surse de aprindere. Gazele pot ajunge in atmosfera locurilor de munca, prin neetanseitati la organele in miscare ale utilajelor (agitatoarelor, reactoarelor, axul pompelor, pistoanelor, compresoarelor), neetanseitati la imbinarile conductelor, deschiderea supapelor de siguranta, cresterea presiunii si temperaturii in vasele de reactie. Tabela 19 Caracteristicile monomerilor din punct de vedere al pericolului de aprindere Denumirea substantei
Starea
Etilena Propilena Izobutena Butadiena Clorura de vinil Acetat de vinil Stiren Acrilonitril
Gaz Gaz Gaz Gaz Gaz Lichid Lichid Lichid
Temperatura de inflamabilitate ºC -8 -
Temperatura de autoaprindere 542 425 -
Limite de explozie Vol % 3 – 34,0 2 – 11,1 2 – 44,0 4 – 22,0 2,5 – 13,4 -
Continutul in impuritati in monomer poate constitui un mare pericol de incendiu si mai ales de explozie in cursul reactiei de polimerizare. Astfel etilena supusa polimerizarii la presiune inalta nu trebuie sa contina produsi oxigenati mai mult de 20 mg/l, intrucat aceste substante actioneaza in mediul de reactie drept catalizatori de descompunere exploziva. Clorura si acetatul de vinil nu trebuie sa contina diacetilena in proportie mai mare de 5 mg/l, intrucat aceasta polimerizeaza
cu explozie. Diacetilena poate ajunge in monomer in cazul cand pentru producerea monomerului se utilizeaza acetilena obtinuta prin procedeul cu arc electric. Initiatorii folositi in procesul de polimerizare sunt compusi peroxidici care contin oxigen activ in molecula astfel incat prin aprindere pot arde si in absenta aerului. Peste o anumita temperatura, denumita “punct de descompunere exoterma”, ei se descompun cu cedare de caldura si eliminare de oxigen. Astfel, in cazul peroxidului de tertiar butil, descompunerea are loc la 100ºC; peroxidul de lauroil se descompune la 53ºC, iar perbenzoatul de butil la 85ºC. In anumite reactii de polimerizare, cum este cazul polietilenei de inalta presiune, initiatorii se dizolva in uleiuri. Pericolul in acest caz creste, intrucat uleiurile fiind substante combustibile, arderea este alimentata de oxigenul eliminat prin descopunerea peroxizilor. Pentru aprinderea solutiei este suficient doar contactul cu un obiect fierbinte. In cazul polimerizarii in bloc a butadienei se foloseste drept catalizator, sodiu metalic. Din punct de vedere chimic sodiul este un metal foarte activ care reactioneaza energic cu apa dupa formula: 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 Ori, cum reactia este insotita de caldura, de cele mai multe ori are loc autoaprinderea hidrogenului ce se degaja. Tocmai pentru a-l feri de umiditatea din aer sodiul se pastreaza de obicei sub petrol. La incarcarea sodiului in vasele de polimerizare un mare pericol il prezinta caderea apei pe sodiu sau formarea de scantei prin lovire care conduc la aprinderea lui. Pericolul se micsoreaza considerabil daca se inlocuieste sodiul metalic cu un amestec catalitic format din sodiu, cauciuc, creta, parafina etc. Acesta pasta nu se aprinde de la flacara sau in prezenta umiditatii, dar la prepararea ei pericolul de incendiu este iminent. Adeseori in reactiile de polimerizare cum ar fi polietilena de joasa presiune se foloseste drept catalizator o dispersie de sodiu fin divizat intr-un mediu cu care sodiul nu reactioneaza: benzina, petrol, benzen. In acest caz mediul de dispersie fiind un lichid inflamabil, pericolul ce-l prezinta aceste dispersii este incomparabil mai mare. Aceasta dispersie se poate aprinde atat in contact cu apa, cat si in prezenta unei flacari sau scantei. Incendiul poate fi provocat si la varsarea dispersiei pe un material care are tendinta de a absorbi lichidul ce protejeaza particulele de sodiu. In acest fel particulele fine de sodiu nemaifiind protejate se pot aprinde in contact cu umiditatea atmosferica. Un pericol deosebit il presinta catalizatorii de alchilaluminiu (clorura de etil-aluminiu), ce se utilizeaza la polimerizarea etilenei si propilenei dupa procedeul Ziegler de joasa presiune. Acesti catalizatori sunt lichide extrem de inflamabile care se aprind dupa prin simplu contact cu aerul. De aceea se depoziteaza si se vehiculeaza sub azot. Una dintre cele mai importante cauze de descompunere exploziva in cursul proceselor de polimelizare este insa pierderea controlului asupra reactiei. Astfel, in cazul polimerizarii clorurii de vinil, datorita cresterii temperaturii peste temperatura de regim (40 - 50ºC) sau introducerii unei cantitati mari de initiator de reactie (apa oxigenata, persulfat de potasiu, peroxid de lauroil) are loc “ambalarea reactiei”. Viteza de propagare a reactiei creste mult, iar caldura de reactie nemaiputand fi evacuata duce la cresterea rapida a temperaturii si presiunii. Ca urmare a cresterii presiunii peste cea la care a fost probat vasul de reactie, poate avea loc explozia acestuia si aprinderea masei de reactie. In cel mai bun caz cresterea presiunii duce la ruperea garniturilor si aprinderea jetului de clorura de vinil. La polimerizarea etilenei la presiuni inalte (2000 at) pierderea controlului asupra reactiei, datorita intreruperii agitarii in reactor sau cresterii debitului de catalizator injectat, duce la descompuneri explozive insotite de o crestere rapida a temperaturii si presiunii. Descompunerile explozive sunt reactii exoterme care duc la formarea de metan carbon si hidrogen. Temperatura in timpul descompunerii poate depasi 1000ºC. In timpul exploziei au loc degajari puternice de etilena care se pot acumula deasupra instalatiei, formand nori de etilena ce sunt purtati de curentii de aer. De asemenea, in timpul unei descompuneri, bucati aprinse de polietilena aruncate din vasul de reactie sunt capabile sa aprinda materialele inflamabile din jur. Din cauza temperaturilor inalte si prezentei hidrogenului in gazele de la descompunere, chiar si metalele pot suferi puternice modificari de structura. Au loc si decarbonizari care produc fisuri pe suprafata metalului, slabindu-i rezistenta mecanica. Cu toate ca se pot lua masuri pentru micsorarea numarului de descompuneri si a efectului lor, totusi unele din ele sunt inevitabile. O racire insuficienta in timpul polimerizarii in bloc a butadienei poate duce la ridicarea intensa a temperaturii si presiunii si la scapari de vapori de butadiena. In plus, temperaturile inalte favorizeaza formarea unui polimer spongios de culoare galbena, capabil sa se autoaprinda in aer datorita unei oxidari intense. “Ambalarea” reactiei, adica crestere necontrolabila a temperaturii poate avea loc si in alte reactii de polimerizare cum ar fi cea a acetatului de vinil, stirenului etc. datorita exotermicitatii acestor reactii. 8. Procese de alchilare Prin alchilare se inteleg reactiile de aditie la dubla legatura a hidrocarburilor olefinice, a moleculelor izoparafine sau aromate. Procesele de alchilare prezinta o importanta deosebita in industria chimica intrucat permit sintetizarea unor produse valoroase. Astfel prin alchilarea etilenei cu benzen se obtine etilbenzen. Reactia de alchilare a izobutilenei cu izobutan la temperatura de 20ºC si 3,5 at duce la formarea izooctanului, component pentru ridicarea cifrei octanice a benzinelor. Prin alchilarea izododecenei cu benzen se obtine izododecilbenzen, prin sulfonarea caruia, se obtin detergenti alchilaril-sulfonici. De asemenea prin alchilarea propilenei cu benzen se obtine intermediar izopropilbenzen care este supus apoi oxidarii si descompunerii in vederea fabricarii fenolului si acetonei. Procesele de alchilare au loc in prezenta catalizatorilor (acid sulfuric, acid fluorhidric, acid fosforic sau clorura de aluminiu). Reactia are loc cu degajare de caldura.
In procesul de alchilare in prezenta de clorura de aluminiu, reactantul si catalizatorul formeaza doua faze lichide distincte, avand o solubilitate reciproca redusa. Amestecul intim al reactantilor cu catalizatorul se realizeaza in reactoare cu umplutura si sicane. Conditiile de reactie sunt: temperatura 80 - 90ºC si presiunea atmosferica. Caldura de reactie se preia prin evaporarea partiala a componentilor mai volatili ai amestecului de reactie, care dupa condensare se recircula, sau partial cu ajutorul unor agenti de racire. Drept initiator de reactie se utilizeaza acidul clorhidric. Procesul de alichilare in prezenta acidului fosforic are loc in faza de vapori intr-un reactor cu pat fix de catalizator – acid fosforic pe suport de kieselgur. Conditiile de reactie sunt: temperatura de 200 - 300ºC si presiunea de 60 – 65 at. Materiile prime folosite in procesele de alchilare – hidrocarburi gazoase (etilena, propilena, izo-butilena etc.) si fractiuni lichide (benzen, toluen etc.) sunt substante ce prezinta si produsele de alchilare. Un pericol asemanator il prezinta si produsele de alchilare. Astfel, etilbenzenul are temperatura de inflamabilitate egala cu 7ºC, iar vaporii formeaza cu aerul amestecuri explozive in limitele de 1 – 6%. La pericolul de inflamabilitate al substantelor prelucrate, in cazul folosirii clorurii de aluminiu, se adauga actiunea coroziva a catalizatorului si masei de reactie. Corodarea aparaturii poate inlesni degajarea in atmosfera inconjuratoare a hidrocarburilor inflamabile sua patrunderea in spatiul de reactoare si la aparatura destinata prepararii catalizatorului si separarii gazelor din masa de reactie. Din aceasta cauza reactoarele de alchilare se construiesc din otel plumbuit, oteluri antiacide sau oteluri captusite cu caramizi antiacide. Un pericol deosebit il prezinta infundarea conductelor si pompelor datorita acumularii catalizatorului. In scopul maririi fluiditatii complexului catalitic si micsorarii efectului de coroziune totodata, ca initiator de reactie, se utilizeaza clorurile de etil sau dicloretan, care se descompun la temperatura de lucru cu formare de acid clorhidric. In cazul folosirii acidului flourhidric drept catalizator se utilizeaza aparatura din fonta speciala, oteluri aliate cu crom, Hastelloy. La temperaturi mai mari de 65ºC se recomanda aliaje Monel. In procesul de alichilare in faza gazoasa pe catalizator de acid fosforic se elimina o parte din pericolul datorat coroziunii chimice, mediul fiind necoroziv. In schimb procesul avand loc in conditii severe de temperatura si presiune pericolul scaparilor de gaze si vapori inflamabili este mai ridicat. De asemenea, acumularea caldurii de reactie, in cazul unei raciri necorespunzatoare sau unor supraincalziri locale, poate duce la cresterea temperaturii peste cea de autoaprindere a reactantilor si produselor de alchilare. In numeroasele cazuri distilarea produselor alchilarii se conduce sub vid pentru a evita temperaturile ridicate la care s-ar produce degradarea lor. Astfel, separarea etilbenzenului de polialchilbenzeni si reziduuri mai grele se face la un vid de 40 – 200 mm Hg. Patrunderea aerului in sistem prin neetanseitati permite formarea de amestecuri explozive. Acelasi pericol il prezinta patrunderea aerului in cilindrii compresoarelor de gaze. Capitolul XIX Substante explozive 1. Generalitati O substanta chimica sau un ameste se poate considera exploziv, daca este capabil ca sub influenta unei actiuni exterioare sa produca un proces de transformare chimica a materiei, extrem de rapid, insotit de o degajare tot atat de rapida a caldurii si de formarea unor gaze sau vapori puternic incalziti, care produc un lucru mecanic de distrugere. Procesul de explozie se caracterizeaza prin prezenta a trei factori fundamentali: viteza mare a transformarii, caracterul exotermic al transformarii si formarea produsilor gazosi. Numai actiunea simultana a acestor trei factori conditioneaza producerea procesului de transformare exploziva. Cu toate ca explozivii sunt sisteme chimice nestabile, ele pot rezista totusi la actiuni exterioare. Pentru ficare exploziv, in conditiile date, capacitatea de a rezista la actiunile exterioare are o anumita limita, la depasirea careia se produce transformarea exploziva. Limita inferioara a actiunii exterioare care provoaca explozia, este o cantitate minima de energie care trebuie cheltuita in acest caz, fiind numita impuls initial si a carei valoare depinde de conditiile date si de sensibilitatea substantei. O substanta chimica a putea fi considerata mai exploziva sau mai putin exploziva, in masura in care va satisface factorii fundamentali care caracterizeaza procesul de explozie. Deosebirea dintre detonatia unei substante explozive si a unui amestec gaz-aer consta in marimea presiunilor de explozie care iau nastere. In cazul exploziei unui ameste gaz-aer presiunea nu atinge 100 at; in schimb la detonatia unei substante explozive ea poate depasi 1000 at. 2. Clorati Acidul cloric liber (HclO3) exista numai in solutie. Este un oxidant foarte puternic si in solutie apoasa de 40% provoaca arderea cu incandescenta a substantelor cu care vine in contact (de exemplu, hartia, lemnul). Solutiile apoase care contin peste 40% acid cloric se descompun cu incetul chiar la temperatura obisbuita. La o incalzire peste 40ºC descompunerea are loc cu explozie. Spre deosebire de acidul liber, sarurile sale – cloratii – nu sunt oxidanti in solutie apoasa. Majoritatea lor sunt incolore ca si acidul si usor solubile in apa. Dintre sarurile acidului cloric o importanta practica mare prezinta cloratul de postasiu (KClO3), care se intrebuinteasza mai ales in industria chibriturilor si in pirotehnie la fabricarea rachetelor, cartuselor, semnalizatoarelor etc. Cloratul de sodiu (NaClO3) fiind usor solubil in apa este un mijloc pentru distrugerea buruienilor.
Prin incalzirea cloratului de potasiu, acesta elimina relativ usor oxigenul dupa reactia: KClO3 → KCl + 3/2 O2 Bilantul oxigenului, spre deosebire de alti explozivi ca nitroglicerina sau trinitrotoluenul, este excedentar in cazul cloratului de potasiu. Amestecul sau cu unele substante usor oxidabile cum sunt: sulful, fosforul, zaharul etc. explodeaza prin simpla lovire. Prin incalzirea cloratului de potasiu cu carbune de lemn la temperatura de 170ºC are loc o explozie puternica. Incalzind pana la 60ºC un ameste de clorat de potasiu si acid oxalic are loc reactia: 2KClO3 + H2C2O2 → K2CO3 + CO2 + H2O + 2ClO2 Se produce bioxidul de clor galben-verzui care la o racire sub 10ºC se lichefiaza devenind un lichid rosu-cafeniu. Fiind o combinatie extrem de nestabila, bioxidul de clor explodeaza energic in atingere cu substante capabile sa se oxideze, sau la incalzire. Partial, bioxidul de clor (Cl2) este prezent si in produsele de descompunere obtinute la incalzirea cloratului de potasiu. Prin incalzirea cloratului de potoasiu pana la 370ºC, acesta se topeste si incepe sa se descompuna, ceea ce poate avea loc pe doua cai: 4 KclO3 → 4 KCl + 6 O2 4 KclO3 → 3 KClO4 + KCl Reactia 4 KclO3 → 4 KCl + 6 O2 are loc mai ales in prezenta unui catalizator cum ar fi bioxidul de mangan. Datorita oxigenului pe care-l degaja, cloratul de potasiu in stare topita intretine energic arderea. Sarea formata in reactia 4 KclO3 → 3 KClO4 KCl – percloratul de potasiu – este de asemenea o substanta exploziva care la 610ºC se topeste si incepe totodata sa se descompuna dupa ecuatia KCl4 → KCl + 202 Percloratul de potasiu se intrebuinteaza la prepararea unor explozivi pe baza de clorati si perclorati (35% perclorat de potasiu, 42% azotat de amoniu, 14% nitroderivati, 4% nitroglicerina si 5% faina de lemn); Acidul percloric liber (HClO4) este un lichid incolor care fumega la aer. In solutie apoasa explodeaza prin incalzire la peste 90ºC. Nestabilitatea acidului percloric se datoreste reactiei de descompunere initial in Cl2O7, care se descompune in continuare in bioxid de clor si oxigen conform reactiei: 2 Cl2O7 → 4 ClO2 + 3 O2 Atat Cl2O7 cat si ClO2 sunt substante care explodeaza prin incalzire sau lovire puternica. De asemenea explodeaza in prezenta diverselor substante organice. 3. Azotat de amoniu Dintre ingrasamintele azotoase utilizate astazi, azotatul de amoniu este cel mai raspandit, reprezentand circa 34% din totalul ingrasamintelor azotoase. Folosirea larga a azotatului de amoniu in agricultura datorita continutului ridicat in azot asimilabil, precum si drept component de baza in explozivii industriali si militari, atrage dupa sine si posibilitatea unor riscuri pe cat de neasteptate pe atat de nedorite. Siguranta marita in manipularea exploziviilor pe baza de azotat de amoniu fata de explozivii pe baza de nitroglicerina a condus la parerea ca acesti explozivi pe baza de nitroglicerina a condus la parerea ca acesti explozivi pot fi adusi la detonatie numai printr-o initiere puternica. Astfel, la inceput s-a neglijat influenta cladurii asupra acestor explozivi precum si contactul cu diferitele substante chimice. Azotatul de amoniu, in anumite conditii poate sa se descompuna cu explozie. Explozivitatea lui este influentata de: granulatie, densitate, presiune precum si de prezenta unor impuritati sau adaosul unor agenti de conditionare pentru reducerea higroscopicitatii si a aglomerarii. In urma recomandarilor facute, s-a trecut la fabricarea azotatului de amoniu “flegmatizat” si a unor ingrasaminte pe baza de azotat de amoniu, care prezinta o siguranta suficienta in ceea ce priveste manipularea, transportul si depozitarea. Azotatul de amoniu este o substanta solida cristalina, usor solubila in apa. Ca si alte saruri de amoniu se prezinta in mai multe forme cristaline, datorita grupei NH4+. Greutatea sa specifica variaza intre 1,44 – 1,79 g/ml in functie de temperatura, stare fizica, modificatie cristalina. Dintre sarurile de amoniu, azotatul se caracterizeaza printr-o higroscopicitate mare, ceea ce reprezinta unul din neajunsurile sale importante. Dupa un timp de depozitare, el isi pierde forma pulverulenta sau granulata, transformandu-se intr-un produs solid, aglomerat, de structura monolitica. Fenomenul de aglomerare constituie unul din principalele insusiri fizico-chimice negative ale azotatului de amoniu, creand dificultati mari la intrebuintarea lui in industrie si agricultura. Azotatul de amoniu reactioneaza cu hidrogenul in cazul unor descarcari electrice cu formare de azotit (NH4NO2), bioxid de azot (NO2) si amoniac (NH3). Fosforul arde in azotat de amoniu cu aparitia unei lumini vii. In stare topita reactioneaza cu metale ca: Mg, Zn, Ni, Pb, Cu, indeosebi la temperatura de 10 - 20ºC cu formare de azotati sau azotiti.
Azotatul de amoniu este o sare nestabila la temperatura. Prin incalzire la 100 – 120ºC se disociaza partial in amoniac si acid azotic, deci in produsele sale componente: NH4NO3 → NH3 + HNO3 (1) Incalzind azotatul de amoniu lent peste 120ºC, acesta se inmoaie in jurul temperaturii de 150ºC, iar aproape de 170ºC, se topeste complet devenind un lichid vascos. Incalzirea mai departe peste punctul de topire respectiv intre 185 – 220ºC duce la descompunerea lui in protoxid de azot si apa cu degajare slaba de caldura: NH4NO3 → N2O + 2H2O (2) Peste 200ºC, reactia de descompunere se desfasoara mult mai repede, devenind violenta la 260ºC. In jurul acestei temperaturi apar vapori cenusii, dupa care urmeaza o explozie. Explozia se produce in intervalul de temperatura 260 269ºC si ea apare dupa o incalzire mai indelungata, in faza gazoasa dupa reactia: 4 NH4NO3 → 2 NH3 + 3 NO2 + 3 NO + N2 (3) La o incalzire mai puternica a topiturii peste 250ºC, viteza de descompunere a reactiei creste considerabil, ajungand la 290ºC la o desfasurare puternic accelerata. Cercetari recente au stabilit ca la temperatura de 300ºC descompunerea termica a azotatului de amoniu devine exploziva. Analizand continutul gazelor de descompunere formate in urma exploziei se constata ca formarea protoxidului de azot (N2O) este mult micsorata in favoarea azotului (N2) si oxizilor de azot (NO si NO2). La incalzirea azotatului de amoniu intr-un timp de 10 minute pana la 375ºC are loc o volatilizare completa a sarii prin formarea la inceput a unor vapori incolori (NO), mai tarziu brun-roscati (NO2), dar fara explozie. La temperaturi care depasesc 400ºC descompunerea are un caracter exploziv conform ecuatiei chimice. 4 NH4NO3 → 3 N2 + 2 NO2 + 8 H2O (4) Pentru a stabili comportarea azotatului de amoniu fata de flacara deschisa si fata de un corp metalic incandescent s-au efectuat o serie de incercari. Acestea au aratat ca actiunea unei flacari de gaze de 1 cm, are ca efect trecerea sub forma gazoasa a sarii, care nu se aprinde daca nu este tasata, dar in urma unei disociatii crescande si a formarii gazelor nitroase, la o temperatura in jur de 500ºC, aceste gaze degajate se aprind, fenomenul fiind urmat de aparitia unei explozii. Acest lucru a fost confirmat si prin incalzirea azotatului de amoniu in eprubeta deasupra flacarii libere, cand gazele de descompunere au ars cu explozie. In alte incercari, amestecul de gaz dezvoltat la temperaturi de peste 290ºC s-a aprins in prezenta unei flacari deschise si a continuat sa arda tot mai violent odata cu cresterea temperaturii. S-a cercetat si influenta presiunii asupra descompunerii termice si explozive a azotatului de amoniu. Conform cercetarilor efectuate exista o presiune limita (6 at) pana la atingerea careia descompunerea termica decurge lent; peste presiunea de 7 at azotatul de amoniu se descompune exploziv. Incercarile facute pana la presiunea de 20 at au dat aceleasi rezultate. Studiind cazurile de incendii si explozii care au loc la manipularea, transportul si depozitarea azotatului de amoniu rezulta ca nu intotdeauna s-a putut stabili cauza adevarata a acestora. Se cunosc o serie de cazuri de incendii in vagoanele de cale ferata incarcatecu azotat de amoniu, sau la transportarea azotatului de amoniu pe cale maritima, cand nu s-a putut stabili precis cauza accidentelor. Pe baza unor considerente s-a admis ca incendiile sunt provocate de descompunerea termica spontana a azotatului de amoniu, care duce la autoaprinderea sistemului. Intr-adevar, avand in vedere cantitatile mari de azotat de amoniu care se transporta, se poate admite ca in urma descompunerii spontane a sistemului se degaja intr-un timp scurt o cantitate suficienta de caldura pentru autoaprinderea azotatului de amoniu, fenomen care datorita accelerarii procesului si dezvoltarii caldurii se transforma in explozie. Asa cum s-a indicat mai sus, reactia de disociere a azotatului de amoniu conform reactiei (1) la temperaturi de circa 190ºC are loc cu consum de caldura (reactie endoterma). Cu cresterea temperaturii insa reactia (1) cedeaza locul reactiilor de descompunere termica (2), (3), (4), toate avand loc cu dezvoltare de caldura. Aceasta trecere de la reactia endoterma la reactia exoterma, care se realizeaza la circa 200ºC ridica o “bariera endoterma” in proces. Existenta acestei bariere a condus la ideea preconceputa ca descompunerea termica spontana a azotatului de amoniu nu poate sa se desfasoare la o temperatura mai mica. Totusi au avut loc accidente la baza carora au stat procese si reactii desfasurate la temperaturi de 150 – 160ºC si chiar mai joase. Existenta autocatalizei la descompunerea termica a azotatului de amoniu a fost confirmata de cercetari experimentale. Drept catalizator al acestei reactii se considera insusi acidul azotic rezultat din reactia de disociere (1). Alti cercetatori considera ca agentul propriu-zis de cataliza nu este acidul azotic, ci bioxidul de azot si apa, produse rezultate prin descompunerea termica a acestuia. In legatura cu reactivitatea bioxidului de azot, este cunoscut faptul ca acesta reactioneaza foarte usor si in unele cazuri chiar foarte energetic. Astfel cu amoniacul – daca concentratia reactantilor este suficienta – reactioneaza cu caracter exploziv. Bioxidul de azot este un catalizator pentru multe reactii de oxidare. De asemenea s-a dovedit ca umiditata din azotatul de amoniu accelereaza procesul de disociere in dauna formarii oxizilor de azot. Astfel, un azotat de amoniu absolut anhidru, obtinut prin sublimare, sub vid inaintat (10-5 mm Hg), nu se descompune nici la 300ºC. In procesul de autocataliza al descompunerii azotatului de amoniu, se considera ca o anumita influenta favorabila o au clorurile ca acceleratori catalitici. Intr-adevar, impuritati de clorura de amoniu (NH4Cl) si clorura de soid (NaCl) in proportie de 0,1 – 0,2 % in azotatul de amoniu scad temperatura de descompunere sub 200ºC, iar descompunerea devine violenta.
Dupa parerea unor cercetatori in cursul procesului de descompunere, datorita prezentei clorurilor in azotatul de amoniu, se separa clorul care oxideaza amoniacul rezultat de la descompunere, formand acidul clorhidric dupa reactia: 3 Cl2 + 2 NH3 → N2 + 6 HCl Prin formarea acidului clorhidric, continutul in acid liber se mareste dezvoltandu-se din nou cantitati mari de clor liber, de unde rezulta ca reactia continua autocatalitic. Un rol important in cataliza descompunerii azotatului de amoniu il joaca substantele organice. Este posibil ca marile catastrofe provocate de azotatul de amoniu sa provina de la contactul cu cantitati mici de substante organice, care in prezenta unui oxidant puternic, cum este azotatul de amoniu si in urma unor reactiii autocatalitice in lant sa provoace dezastrele respective. In cursul cercetarilor efectuate privind descompunerea azotatului de amoniu in intervalul de temperatura 100 – 150ºC s-au inregistrat peste 2500 cazuri de autoaprindere a acestuia in diferitele ambalaje de celuloza. Se pare ca, in cadrul experientelor facuta, s-a reusit sa se provoace autoaprinderea unei cantitati relativ mici (1 kg) de azotat de amoniu ambalat in saci de hartie in intervalul de 100 - 150ºC. Acidul azotic format prin disocierea azotatului de amoniu oxideaza substanta organica din care este confectionat ambalajul. Oxizii de azot formati in prima faza, reactioneaza cu carbonul, drept rezultat formandu-se bioxid de carbon si azot. 2 NHO3 + C → CO2 + NO + NO2 + H2O 2 NO2 + 2 NO + 3 C → 3 CO2 + N2 Reactiile pot avea loc in prezenta unor substante organice ca: faina de lemn, coji de alune, seminte de bumbac, lignit, lemn de stejar, amidon, paie etc. Azotatul de amoniu este un exploziv in sensul adevarat al cuvantului. El poate exploda sau poate deveni exploziv in anumite conditii. Impulsul initial necesar declansarii exploziei poate fi foarte variat. Astfel, in unele cazuri datorita unor conditii exterioare optime (sistem inchis ermetic, prezenta substantelor organice etc.) azotatul de amoniu poate sa ajunga la explozie datorita unei supraincalziri locale. In general, impulsul initial necesar descompunerii explozive a azotatului de amoniu poate fi transmis sistemului pe cai diferite: enegie calorica (incalzire, radiatia flacarii, autoaprinderea gazelor formate), energie mecanica (frecare, lovire, izbire, soc), energie electrica, energia unul alt exploziv sau datorita presiunii create la descompunerea termica a azotatului de amoniu. Descompunerea termica a azotatului de amoniu nu se transforma in orice imprejurari intr-o descompunere exploziva. Astfel, o ardere obisnuita a azotatului de amoniu, in general nu duce la explozie daca nu sunt create conditii pentru acumularea gazelor si formarea presiunii. Caldura care se degaja in timpul exploziei azotatului de amoniu reprezinta 28,5 kcal/mol sau 356 kcal/kg. In momentul exploziei, gazele rezultate au o temperatura ce variaza intre 1100 – 1500ºC. Volumul de gaze care se formeaza la explozia uni kg de azotat de amoniu, la temperatura de explozie de 1236ºC, reprezinta 985 litri, iar presiunea care se atinge este de ordinul 6000 – 20000 at. Presiunea de detonatie a produsilor formati la explozia azotatului de amoniu este de circa 57000 at. Pentru comparatie, valoarea presiunii de detonatie a dinamitei este de 110000 at. Capitolul XX Pulberi metalice 1. Pulberea de aluminiu In stare libera, aluminiul este un metal destul de dur cu greutatea specifica 2,7 si cu o stralucire alb-arginitie. Temperatura de topire este de 659ºC. Aluminiul se caracterizeaza printr-o mare maleabilitate si conductibilitate electrica, care reprezinta 0,6 din conductibilitatea cuprului. Fiind in acelasi timp de 3,5 ori mai usor decat acesta, aluminiul incepe sa inlocuiasca din ce in ce mai mult cuprul in industria cablurilor electrice. In afara de cablurile electrice, aluminiul are o intrebuintare foarte larga sub forma unor aliaje cu Si, Cu, Zn, Mg etc., care pe langa faptul ca sunt foarte usoare, au calitati mecanice exceptionale. Important din acest punct de vedere este duraluminiul, pretuit mai ales in industria avioanelor unde greutatea redusa este extrem de importanta. Aluminiul este utilizat pe scara larga la “aluminizare” pentru acoperirea suprafetelor de fier, otel sau fonta cu un strat subtire de metal pentru a le face rezistente de coroziune. Aceasta operatie se face prin incalzirea obiectelor la temperatura de 1000ºC intr-un ameste format din praf de aluminiu (49%), oxid de aluminiu (40%) si clorura de amoniu (2%). In ultimul timp aluminiul se foloseste cateodata in locul argintului in industria oglinzilor. Aluminizarea sticlei in acest scop se face prin pulverizare sub vacuum a aluminiului metalic. In aer, aluminiul se acopera imediat cu un strat foarte subtire, dar foarte compact, de oxid care fereste metalul de o oxidare mai avansata. Din aceasta cauza, suprafata obiectelor confectionate din aluminiu nu straluceste, ci este mata. Pentru incalzirea puternica a aluminiului pulverizat in aer, acesta se aprinde si arde energetic, cu o flacara vie de culoare deschisa. In acelasi fel decurge si reactia dintre aluminiu si sulf. Cu
clorul si cu bromul el intra in reactie chiar la temperatura obisnuita, iar cu iodul numai prin incalzire. La temperaturi inalte, aluminiul se combina cu azotul si carbonul. Dimpotriva, cu hidrogenul el nu reactioneaza deloc. Aluminiul nu se dizolva in acid azotic la rece; prin incalzire reactia incepe sa mearga incet decurgand apoi foarte energetic. Acidul sulfuri nu are asupra aluminiului decat o actiune foarte inceata. In stare pura, aluminiul este rezistent si fata de acidul clorhidric. Se dizolva insa usor in hidroxid de sodiu. De asemenea, reactioneaza cu apa la temperaturi ridicate cu formare de hidrogen. Din aceasta cauza, incendiile provocate de aluminiu nu pot fi stinse cu apa, intrucat la temperaturile ce se dezvolta, apa este descompusa cu formare de gaz detonant. Combinarea aluminiului cu oxigenul este o reactie puternic exoterma (390 kal/mol Al2O3) care dezvolta temperaturi pana la 3000ºC. Din aceasta cauza, prin incalzirea pana la incandescenta, a unui amestec dintr-un oxid metalic oarecare si praf de aluminiu metalic, se produce o reactie energetica si se obtine astfel metalul liber din oxidul respectiv. Aceasta metoda de reducere cu ajutorul aluminiului denumita aluminotermie se foloseste deseori pentru obtinerea unor elemente in stare libera (Cr, Mn, V etc.). In tehnica ne servim deseori de metoda aluminotermiei pentru sudarea diferitelor parti metalice, ca de exemplu capatele sinelor de tramvai. Amestecul “termit” care se intrebuinteaza este format din pulbere fina de aluminiu si oxid de fier (Fe3O4). Acest amestec se aprinde cu ajutorul unei substante compuse din Al si BaO2. Are loc urmatoarea reactie: 8 Al + 3 Fe3O4 = 4 Al2O3 + 9 Fe Fierul in stare topita care se obtine din reactie sudeaza ambele fragmente de sina, locul sudurii fiind dupa aceea bine stemuit. In afara de intrebuintarea la sudura, “termitul” are o mare insemnatate pentru tehnica de razboi, deoarece intra ca element principal in compozitia bombelor incendiare. Unele din combinatiile aluminiului sunt periculoase. Bromura de aluminiu, care se prezinta sub forma unor placute lucioase, se descompune in apa cu reactie violenta. Sulfura de aluminiu, ce serveste ca antidaunator agricol, este descompusa de apa in hidroxid de aluminiu si hidrogen sulfurat. Cele mai periculoase sunt combinatiile organo-metalice ale aluminiului care se prepara cu pulbere de aluminiu. Astfel metil-aluminiul sau etil-aluminiul sunt lichide care se aprind in contact cu aerul si se descompun violent cu apa. Un pericol mare de incendiu il reprezinta clorura de etil-aluminiu, folosita drept catalizator in reactiile de polimerizare. Pulberea fina de aluminiu are proprietatea de a se incarca electric si poate constitui cauza unor incedii de gaze datorita descarcarilor electrostatice. Limita inferioara de aprindere in aer pentru pulbere de aluminiu este de 30 – 40 g/m3, chiar pentru particule mai grosiere, cu dimensiunile de 60 – 90 μ. Temperatura de aprindere este de 190ºC. Un procedeu de inlaturare a aprinderilor de praf de aluminu, in curs de aparitie, consta in a crea o detonatie in calea exploziei. O explozie pentru a se produce necesita 30 milisecunde. S-au construit dispozitive care dupa cateva milisecunde detoneaza la cea mai mica crestere de presiune descompunand norul de praf inainte de a atinge o presiune considerabila. Pentru stingerea incendiilor de praf de aluminiu se utilizeaza clorbrommetrul. 2. Pulberea de zinc Zincul este un metal destul friabil in conditii obisnuite. Incalzit la 100 – 150ºC, el devine maleabil si ductil; in schimb la o temperatura de peste 200ºC el devine atat de friabil, incat in aceste conditii poate fi faramitat in pulbere. Aceasta schimbare a proprietatilor se datoreste probabil trecerii zincului obisnuit la o temperatura de peste 200ºC intr-o alta stare alotropica. Cantitati mari de zinc metalic se utilizeaza pentru zincarea fierului spre a-l feri de rugina. Stratul de oxid care se formeaza la suprafata zincului, apara metalul de o oxidare mai inaintata si de aceea obiectele din fier zincat (tabla de acoperis, galeti, conducte de apa) pot fi intrebuintate un timp mai indelungat. Zincul se mai foloseste si sub forma de aliaje cu alte metale. In industria chimica zincul sub forma de pulbere este folosit frecvent la diferite operatii de reducere. In contact cu aerul uscat zincul nu se modifica la temperatura obisnuita. Prin incalzire la circa 500ºC, arde cu o flacara albastruie. Reactia de oxidare a zincului dezvolta o cantitate mare de caldura (84,8 kcal/mol), ceea ce usureaza autoaprinderea pulberii de zinc. Avand in vedere caldura specifica mare a zincului (0,093 kcal/kgºC) se produce o crestere rapida a temperaturii in jurul locului unde are loc reactia. Pe de alta parte conductibilitatea termica redusa a pulberii de zinc nu permite propagarea caldurii in jur, ceea ce mareste pericolul de aprindere. O dovada a conductibilitatii termice reduse a pulberii de zinc este faptul ca ea nu poate fi topita in conditii normale. Zincul se dizolva usor in acizi si baze, chiar diluate, cu degajare de hidrogen. Explicatia consta in faptul ca de pe suprafata metalului este indepartat stratul protector de oxid din care cauza devine posibila reactia metalului cu apa conform reactiei: Zn + H2O = ZnO + H2 Reactia dintre zinc si sulf este foarte energica provocand aprinderea zincului. Pulberea de zinc nu poate fi aprinsa cu un chibrit, in schimb acest lucru este posibil daca ea este amestecata cu o cantitate mica de sulf. Un amestec de doua parti zinc si o parte sulf poate fi aprins cu ajutorul unei scantei sau chiar prin lovire puternica. Zincul obisnuit din comert contine circa 30% zinc activ, restul fiind oxid de zinc si o serie de impuritati ca: arsen, plumb, sulf, cadmiu etc. Multe din aceste impuritati au o actiune catalitica la arderea propriu-zisa sau la aprinderea zincului.
Se mentioneaza in literatura ca eventualele urme de cloruri continute in zinc constituie catalizatorul care contribuie la reactia de oxidare si aprindere. Din cercetarile facute s-a constata ca pulberea de zinc lipsita de cloruri se aprinde la 470ºC, pe cand cea care contine cloruri se aprinde prin incalzire la numai 440ºC. In general, pulberea de zinc este formata din granule cu dimensiunile de 1 – 20 μ. Avand o suprafata specifica mare, ceea ce contribuie la cresterea pericolului din punct de vedere al incendiului. Zincul este in mediu bazic un reducator puternic. Astfel, de exemplu, sarurile acidului azotic sunt reduse de zinc pana la amoniac. In reactiile de reducere zincul fixeaza oxigenul, eventual sulful sau halogenul, daca sunt prezenti. Astfel, daca se trec vaporii de sulfura de carbon peste zinc incalzit, metalul devine incandescent, formandu-se sulfura de zinc si negru de fum. O incalzire si mai puternica cu formare de metan, se obtine trecand peste zinc incalzit un amestec de sulfura de carbon si hidrogen. Apa este descompusa la temperaturi inalte, iar in prezenta flacarii descompunerea este insotita de explozie. Din aceasta cauza pentru stingerea zincului nu se pot folosi agenti de stingere ca apa, bioxidul de carbon, tetraclorura de carbon, bromura de etil sau carbonati. Zincul aprins se stinge cu nisip uscart, talc sau grafit. Dintre combinatiile zincului, cloratul de zinc este o substanta foarte exploziva. Combinatiile organice ale zincului, ca metil-zincul si etilzincul, sunt lichide cu miros neplacut, care se aprind cu usurinta in aer. Rasina de zinc ce se intrebuinteaza la lacuri si care consta din colofoniu cu 5% oxid de zinc este combustibila. In diferite operatii chimice pulberea de zinc este folosita pentru reduceri alcaline, in prezenta unro solventi organici. Turta care se obtine la filtrarea produsului principal contine oxid de zinc, impreuna cu resturi de zinc nereactionat si substante organice inclusiv solventi intrebuintati. Aceasta turta fiind calda se autoaprinde cu multa usurinta. De aceea ea trebuie prelucrata imediat trecand-o in sulfat de zinc sau lasata sa arda intr-un loc complet izolat, unde nu exista pericol de extindere a incendiului. Pulberea de zinc dispersata in aer formeaza cu acesta amestecuri explozive. In prezenta pulberii de sulf, pericolul creste considerabil. Aprinderea acestor nori de praf se poate produce si la descarcarile electrostatice. Din practica se citeaza un caz de autoaprindere a unui butoi de 50 l umplut pe jumatate cu pulbere de zinc. Flacarile de culoare albastruie atingeau o inaltime de 2 m. 3. Pulberea de fier Prin insusirile lor chimice fierul, cobaltul si nichelul fac parte din familia fierului. Toate aceste elemente sunt metale albe stralucitoare, cu o nuanta cenusie in cazul fierului si cobaltului sau argintie in cazul nichelului. Fierul si nichelul se forjeaza si se lamineaza usor. Cobaltul are o duritate mai mare. Spre deosebire de aproape toate celelalte metale, Fe, Co si Ni sunt atrase de magnet. Ultimele doua elemente sunt folosite in special in diferite aliaje cu metale si mai ales cu fierul. Toate cele trei elemente din familia fierului, in special sub forma de pulbere si la temperaturi inalte, adsorb cantitati destul de importante de hidrogen. Aceasta capacitate, care se manifesta cel mai mult la nichel, permite utilizarea acestor metale drept catalizatori in procesele de hidrogenare ale diferitelor substante. Fierul, cobaltul si nichelul libere de impuritati se pot obtine prin reducerea cu hidrogen a oxizilor metalici respectivi, la temperaturi care variaza intre 350 – 500ºC. Astfel, fierul se obtine prin reducerea protoxidului de fier (FeO), conform reactiei: FeO + H2 → H2O La randul sau protoxidul de fier se obtine incalzind oxidul de fier (Fe2O3) intr-un curent de hidrogen. De asemenea in stare pura, asa cum se utilizeaza in calitate de catalizatori, metalele din familia fierul se pot obtine prin calcinarea oxalatilor respectivi care se descompun cu degajarea bioxidului de carbon, conform urmatoarei reactii in cazul fierului: Fe (COO)2 → Fe + 2 CO2 Diametrul mediu al particulelor de fier ce se obtin in acest fel reprezinta numai aproximativ 5 μ. Aceste metale sub forma de pulberi, separate din compozitiile lor (oxizi, oxalati), au insusiri piroforice, adica se autoaprind in contact cu aerul chiar la temperaturi obisnuite. Suprafata lor foarte mare de contact cu aerul determina cresterea brusca a vitezei de oxidare. Cantitatea mare de caldura ce se dezvolta ca urmare a oxidarii provoaca aprinderea pulberii. Se pare ca insusirile piroforice ale acestor metale se datoresc numai cresterii suprafetei de contact cu aerul, ci si deformarii retelei cristaline a particulelor fata de structura stabila a metalului respectiv. O mare influenta asupra capacitatii de aprindere a pulberilor o are starea lor superficiala (gradul de oxidare), si umiditatea aerului care poate intra in actiune cu pulberea contribuind la accelerarea oxidarii. De asemenea, granulatia pulberii este un factor important care determina gradul de aprindere. Pulberi cu granulatie fina (particule de 0,07 – 0,4 mm) se pot aprinde de la scantei mecanice sau de la un foc deschis. Pulberea de fier obtinuta in mori turbionare este piroforica indiferent de gradul de dispersie a particulelor. Cel mai mare pericol il prezinta pulberile in stare de dispersie (aerosoli), care se pot aprinde cu explozie. Un asemenea caz se poate produce cand in mori se introduce o cantitate mica de pulbere in raport cu capacitatea utilajului. Prin actiunea oxizilor de carbon asupra Fe, Co si Ni in stare fin pulverizata se obtin compusii carbonilici ai acestor elemente. Pentacarbonilul de fier (Fe (Co)5) este un lichid galbui cu punct de fierbere 103ºC. Formarea lui este insotita de o degajare de caldura de aproximativ 50 kcal/mol. El se utilizeaza ca adaos la benzina asigurand uniformitatea aprinderii in motoarele cu ardere interna.
Prin actiunea hidroxizilor asupra pentacarbonitului de fier se formeaza carbonilhidrura de fier (Fe (Co)4H2, care in prezenta oxigenului din aer se autoaprinde cu explozie. Tetracarbonilul de nichel Ni (Co)4 este un lichid incolor care fierbe la 43ºC. Pastrat intr-un tub inchis, Ni(Co)4, ramane stabil. In contact cu aerul insa se oxideaza lent. Amestecul dintre aer si vaporii lui este exploziv. Sub actiunea acidului sulfuric concentrat, el se aprinde. Prin actiunea hidrogenului sulfurat asupra pulberii de fier se formeaza sulfura de fier (FeS). Aceasta se prezinta sub forma unui praf de culoare neagra sau bruna. Expusa la aer, sulfura de fier se oxideaza spontan. Aceasta oxidare degaja suficienta caldura pentru a aprinde sulfura de fier care este adusa in stare de incandescenta. Datorita acestei proprietati de a se aprinde in contact cu aerul, sulfura de fier a fost denumita sulfura piroforica. Formarea sulfurii de fier piroforice este cauza aprinderii multor rezervoare de produse petroliere. Reactia pulberii de fier cu vaporii de apa la temperaturi inalte duce la formarea oxizilor de fier si a hidrogenului dupa ecuatiile: 4 H2O + 3 Fe → Fe3O4 + H2 (sub 570ºC) H2O + Fe → FeO + H2 (peste 570ºC) Din aceasta cauza stingerea pulberilor de fier aprinse nu se face cu apa, intrucat hidrogenul format poate conduce la explozii. Prin incalzirea amestecului de pulbere de fier cu azotat de potasiu (KNO3) se produce brusc aprinderea fierului cu lumina puternica, formandu-se sarea de potasiu a acidului feric (K2FeO4). Solutia violet rosie a acestei sari este suficient de stabila la rece. Prin fierbere insa se descompune, punand in libertate oxigenul. In general toti feratii sunt substante puternic oxidante. Capitolul XXI Ignifugarea Ignifugarea este un procedeu prin care se intarzie aprinderea materialelor combustibile, se suprima flacara si se incetineste procesul de ardere. Operatiunea de ignifugare consta in tratarea unui material combustibil prin acoperire, vopsire, impregnare, cu produse special ignifuge (ignifug – material care se aprinde si arde foarte greu sau deloc, intarziind astfel propagarea focului). Gradul de ignifugare se indica prin timpul cat obiectul ignifugat rezista la o anumita temperatura, fara a se aprinde. Substantele ignifuge, dupa modul cum actioneaza se pot grupa in urmatoarele categorii: - Produse solide cu actiune mecanica; acestea se aplica sub forma de amestecuri lichide si realizeaza dupa uscare un invelis izolator in stare solida incombustibil si impiedica oxigenului din aer la focar. Din aceasta categorie fac parte tencuielile de ciment, de var, argila etc. Eficacitatea lor depinde in principal, de conditiile de aplicare. - Produse care se topesc la caldura si formeaza invelisuri protectoare; din cauza caldurii care se degaja invelisuri protectoare; din cauza caldurii care se degaja pe timpul incendiului, aceste substante se topesc si formeaza un strat protector pe suprafata materialului combustibil (de exemplu silicatii de sodiu etc.). Produse care produc gaze stingatoare; asemenea substante, pe timpul arderii degaja gaze inerte, care impiedica total sau partial accesul aerului la focar si prin acestea se ingreueaza arderea gazelor rezultate din descompunerea materialelor combustibile (saruri de amoniu, care pun in libertate amoniac). - Produse care genereaza carbonizarea la suprafata de contact; substantele din aceasta categorie se descompun din cauza caldurii si produc acizi sau baze care chiar la temperaturi scazute formeaza un strat de carbune rau conductor de caldura, la suprafata materialului combustibil. - Produse termospumante; astfel de produse prezinta capacitate de termospumare, adica formarea din stratul peliculogen, initial (1 – 2 mm grosime) a unui strat termoizolator de spuma organica dura (30 – 70 mm). Spuma formata avand conductivitate termica redusa izoleaza materialul combustibil pe care s-a aplicat produsul ignifug si ca urmare temperatura de 700 – 800ºC se reduce la circa 150ºC, deci sub temperatura de termodegradare a lemnului. Produsele din aceasta categorie pot fi folosite si la protectia impotriva caldurii a elementelor de constructie din metale si beton armat. Oricare ar fi produsul ignifug, folosit pentru protectia diferitelor materiale impotriva focului acesta trebuie sa exercite urmatoarele functiuni: - izolarea materialului protejat de accesul liber al oxigenului din aer, necesar arderii, fie prin existenta unui strat protector de suprafata, fie prin degajarea din stratul de protectie a unor gaze incombustibile; - reducerea temperaturii in portiunea in care materialul vine in contact cu flacarile, adica cu surse de aprinderem, ca urmare a preluarii caldurii de oxidare a materialului respectiv, de catre reactiile chimice endotermice care au loc intre componentii produsului de ignifugare; - impiedicarea reactiilor care duc la gazeificarea carbonului si producerea reactiei de piroliza a celulozie, care fixeaza carbonul in materialul combustibil, sub forma de carbune; - incetineste transferul de caldura de la sursa de aprindere a materialului protejat. Practic la noi in tara, ignifugarea se realizeaza prin doua procedee: “impregnarea in masa si acoperirea la suprafata”. La impreganrea in masa materialul degajat se introduce in intregime (imersie) in solutii de fosfat de amoniu, clorura de amoniu, acid boric si borati etc.
Ignifugarea prin acoperire se realizeaza cu substante in compozitia carora intra in afara liantului si materialele de umplutura incombustibile cu termoconductivitate scazuta (azbest, diatomita, talc). Produsul ignifug se aplica pe materialul combustibil sub forma de pelicula de 1 – 2 mm grosime. Pentru ignifugarea lemnului si a produselor din lemn in tara noastra se produc urmatoarele produse: produse ignifuge de impregnare pe baza de fosfat diamonic si borax; produse ignifuge de impregnare pe baza de fosfat diamoniac si sulfat de amoniu. Pentru ignifugarea materialelor textile, la noi in tara se folosesc produsele ignifuge antifoc si produsul ignifug “D” – fabricate in mod special pentru materialele textile. Conditiile de preparare si aplicare a produselor ignifuge sunt cuprinse in “Normativul pentru ignifugarea lemnului, produselor din lemn si materialelor textile” (C. 58 - 70). Capitolul XXII Agenti de stingere 1. Apa (H2O) Apa este cel mai vechi stingator. Ea are marele avantaj ca se gaseste in cantitati considerabile, este ieftina si usor de procurat, are mare putere de racire si este nevatamatoare. Apa se refuleaza asupra focarului de incendiu pentru a intrerupe arderea. Efectul de stingere se realizeaza prin: racirea materialului care arde; izolarea suprafetei incendiate de oxigenul din aer; actiunea mecanica, in special cand apa se foloseste sub forma de jet compact. Efectul principal la stingerea cu apa il constituie racirea materialului care arde. Apa vine in contact cu materialul aprins absoarbe caldura, se transforma in vapori si prin saturarea spatiului inconjurator limiteaza accesul aerului spre focarul incendiului. Pentru a cobora temperatura materialelor aprinse ca apa sa absoarba caldura care contribuie la dezvoltarea incendiului. Apa se intrebuinteaza pentru stingere sub forma de jet compact, dispersat si pulverizat (ceata). Prin folosirea apei sub forma de jet compact se poate folosi cu eficacitate capacitatea de soc a apei, pentru ca, in acest caz, cantitatea refulata este de multe ori considerabila. Jetul de apa dispersata este alcatuit din picaturi de apa cu diametrul de 0,5 – 0,6 mm. Cerinta este ca la o presiune de 5 at, jetul sa atinga distanta de 8 – 9 m. Efectul principal de actiune a apei sub forma de jet dispersat este racirea, pentru ca pe timpul folosirii creste suprafata de contact cu flacarile si cu produsele de ardere. De exemplu, prin aruncarea unui litru de apa sub forma de jet compact asupra focarului se produc picaturi mari care au in total o suprafata de 1 m²; la formarea unor picaturi cu diametrul de 1 mm suprafata lor se mareste la 6 m², iar un diametru al picaturilor de 0,1 mm suprafata totala a picaturilor obtinute dintr-un litru de apa ajunge la 600 m². Dimensiunile picaturilor de apa au o mare importanta practica, deoarece pe timpul stingerii incendiilor este nevoie ca o cat mai mare cantitate de apa sa ajunga la focar si sa ramana acolo pana la evaporare completa. Particulele de apa ajunse in zona focarului trebuie sa aiba o viteza suficienta, capabila sa asigure strabaterea stratului de fum, de gaze calde, de flacari, pentru a se evapora cat mai aproape de obiectul care arde. Efectul de stingere este cu atat mai puternic cu cat se evapora mai multa apa. Un litru de apa, de exemplu la 10ºC, are nevoie pentru a se evapora complet de 629 kilocalorii, formandu-se aproximativ 1600 – 1700 l abur. Efectul maxim de stingere cu apa sub forma dispersata si pulverizata se poate obtine in incaperi inchise. Marimea picaturilor de apa care alcatuiesc jeturile pulverizate (ceata) sunt de ordinul micronilor. Pentru obtinerea acestui jet este nevoie de o presiune ridicata. Un asemenea jet se introduce greu in zona focarului deoarece forta de ascensiune jet se introduce greu in zona focarului deoarece forta de asecensiune a produselor de ardere antreneaza si particulele fine de apa. Totusi, in multe tari s-a trecut la folosirea instalatiilor fixe de stingere cu apa pulverizata, tocmai datorita excelentului efect de racire si inabusire pe care-l prezinta apa refulata sub aceasta forma. 2. Apa usoara Aceasta este constituita din apa in care se introduce mai multe combinatii organice ale fluorului, capabile sa favorizeze formarea de lanturi polimere. Ea se prezinta sub forma lichida. Desi are greutatea specifica supraunitara, pluteste la suprafata hidrocarburilor lichide, datorita proprietatii de a forma o pelicula continua, fapt pentru care s-a numit “apa usoara”. Aceasta proprietate ii confera valoare deosebita la stingerea incendiilor. Formarea unei pelicule la suprafata unui rezervor cu hidrocarburi, incendiat, are drept rezultat impedicarea producerii de vapori si deci stingerea incendiului. Pelicula este rezistenta din punct de vedere chimic, iar in cazul unei distrugeri mecanice se autogenereaza. Noul agent de stingere permite prepararea solutiei din timp si conservarea ei in stare diluata. Apa usoara poate fi folosita la prevenirea aprinderii unui lichid inflamabil prin refulare pe o suprafata libera, cat si la stingerea unui rezervor cuprins de flacari. 3. Apa imbunatatita chimic
Marirea capacitatii de patrundere a apei in diferite materiale se obtine prin folosirea unei mici cantitati de substanta chimica speciala, care reduce tensiunea superficiala a apei. Proprietatile agentilor de umectare depind, in principal, de natura chimica si de structura moleculelor, criterii care care, de fapt stau la baza clasificarii lor. Dupa aceste criterii, agenti activi de suprafata se impart in doua grupe: prima grupa cuprinde substantele a caror molecule dizolvate in apa se disociaza in ioni cu sarcini diferite si egale ca marime. Asemenea substante se numesc ionogene (anioactive, cationactive). Cea de-a doua grupa inglobeaza substantele care se dizolva si nu formeaza particule incarcate electric. Toate aceste produse au denumiri prescurtate sau comerciale, care difera de la tara la tara. In general se folosesc solutii de 1 – 2 %. 4. Aburul Aburul ca agent stingator este raspandit in industria chimica si petroliera. Stingerea cu abur se bazeaza in special pe reducerea volumului aerului din spatiul in care are loc arderea. Pentru ca aburul sa aiba eficacitate la stingerea incendiilor este necesar a se crea o concentratie de cel putin 35% in volum. Se poate folosi ca agent stingator, atat aburul saturat cat si cel supraincalzit. Este indicat si economic a se folosi instalatii fixe de stingere cu abur, acolo unde exista deja, pentru procesul tehnologic o instalatie de cazane.
5. Spume pentru stingerea incendiilor a) Spuma chimica este formata dintr-o masa de bule de dimensiuni reduse, fiecare bula fiind formata dintr-o membrana lichida umpluta cu bioxid de carbon. Bioxidul de carbon se formeaza pe cale chimica in urma reactiei dintre substantele care genereaza spuma (substanta acida si substanta bazica). Substanta acida este formata de obicei din sulfatul de aluminiu sau acidul sulfuric de o anumita concentrantie, iar cea bazica, din bicarbonatul de sodiu sau de potasiu. Al2 (SO4) 3 + 6 CO2 H Na2 = 6 CO2 + 3 Al (OH)3 + H2O + 3 Na2SO4 H2SO4 + 2 CO3HNa2 = Na2SO4 + 2 CO2 + H2O Prin reactia bicarbonatului de sodiu cu sulfatul de aluminiu ia nastere hidroxidul de aluminiu gelatinos care reprezinta masa vascoasa in care sunt inglobate bulele de bioxid de carbon rezultat din aceeasi reactie. Ca substanta stabilitzatoare, care se adauga solutiilor din care se obtine spuma chimica, se intrebuinteaza, de obicei, una din urmatoarele substante: glucoza, saponina, extrasul de lemn dulce, spumantii pe baza de albumine etc. Spuma chimica se mai poate obtine si dintr-un praf chimic (la noi in tara denumit praf unic) si apa, cu ajutorul unor generatoare speciale. Praful este format dintr-un amestec, dupa o anumita reteta, format din sulfat de aluminiu, bicarbonat de sodiu si stabilizatori. Praful unic se livreaza in doua tipuri: tipul I pentru instalatii mobile de stins incendii si tipul II pentru instalatii fixe si semifixe. Pentru stingatoare, substantele chimice din care se obtine spuma alcatuiesc asa-zisele incarcaturi: A (acid) si B (baza). Acestea, inainte de a se introduce in stingatoare se dizolva in apa, conform instructiunilor care insotesc produsul. In urma reactiei dintre cele doua solutii introduse separat in stingator se produce spuma chimica cu un anumit coeficient de infoiere. Coeficientul de infoiere reprezinta raportul dintre volumul spumei formate si volumul solutiilor produselor A si B in ml. Coeficientul de infoiere = ___V ___. VA + VB O spuma eficace trebuie sa aiba anumite calitati: fluiditate, coeficient de infoiere, densitate, persistenta, aderenta, timp de stingere minim etc. Spuma trebuie sa curga bine pentru a acoperi rapid suprafata lichidului incendiat, ea avand o greutate specifica de 0,10 – 0,15 kgf/mm3. Eficienta spumei mai depinde si de o serie de factori cum ar fi: caracteristicile instalatiilor si aparatelor folosite, presiunea apei, proportia de spumant si apa, temperatura etc. Efectele de stingere. Spuma ca agent de stingere actioneaza asupra incendiului (arderii) prin efectul de racire, de inabusire si de izolare. Efectul de racire se bazeaza pe preluarea unei anumite cantitati de caldura din focar, necesara evaporarii apei, ca si pe separarea lichidului din spuma, in general apa, care se evapora prin absorbtie de caldura. Spuma realizeaza efectul de racire cand temperatura focarului este de aproape 1000ºC. Efectul de inabusire este realizat de vaporii de apa rezultati din contactul apei cu combustibilul care arde. Acest efect se produce mai ales cand temperautara focarului este mai mica de 1000ºC.
Spuma are o conductibilitate termica redusa, din aceasta cauza impiedica reaprinderea materialelor combustibile, precum si reincalzirea substantelor combustibile sub influenta corpurilor solide incadescente din apropiere. Aceasta este de fapt efectul de izolare pe care-l manifesta spuma chimica. Spuma chimica se foloseste la stingerea incendiilor de produse petroliere precum si de materiale combustibile solide, care nu reactioneaza cu solutiile apoase ale sarurilor. b) Spuma mecanica se obtine prin amestecarea unei substante generatoare de spuma cu aerul si apa. La noi in tara ca spumant se utilizeaza spumogenul obtinut din faina de coarne si copite, in urma unui proces de degradare cu acizi minerali, neutralizare si stabilizare cu substante chimice. Spumogenul este un lichid vascos de culoare rosie-bruna. Spuma mecanica se obtine prin trecerea solutiei de substanta spumanta, antrenata de un curent de aer, printr-o teava generatoare de spuma. In general, spuma mecanica se obtine din 92% aer, 6% apa si 2 % spumant. La noi in tara s-a reusit obtinerea spumogenului sub forma de praf care prezinta unele avantaje (volum redus, inlaturarea coroziunii etc.). Spuma mecanica actioneaza asupra focarului, in special prin efectul de racire, datorita apei pe care o contine, precum si prin efectul de inabusire in urma formarii vaporilor de apa. Pentru obtinerea spumei mecanice este nevoie de tevi generatoare de spuma, de diferite debite (2500 litri, 5000 litri, 10000 litri pe minut). c) Spuma cu coeficient mare de infoiere. Pentru formarea spumei cu coeficient mare de infoiere este nevoie de un spumant de foarte buna calitate, de o presiune relativ scazuta a apei si de un utilaj si accesorii speciale. Solutia spumanta a se trimite pe un panou (retea), dintr-o tesatura de ochiuri, unde curentul de aer de la un ventilator produce pe fiecare ochi al retelei bule de spuma, care trec apoi intr-un tub de panza (furtun cu diametru de la 0,5 – 3 m), al carui capat se asaza la intrarea in incaperea unde urmeaza sa se introduca spuma. Spuma cu coeficient mare de infoiere exercita un efect de racire prin preluarea unei cantitati de caldura necesara evaporarii apei si un efect de izolare fata de radiatia termica. Spuma cu coeficient mare de infoiere prezinta avantaje ca: utilizarea unei cantitati minime de apa (1/2 litri pe circa 1000 litri spuma); stingerea rapida a incendiului si impiedicarea reaprinderii; lipsa actiunii corosive; usurinta de patrundere in locuri greu accesibile (pivnite, coridoare, calele navelor, tunele de cabluri etc.). Ca dezavantaje se citeaza: greutate redusa si deci instabilitate atunci cand bate vantul; distanta de actiune a generatoarelor relativ limitata; indepartarea greoaie dupa stingerea incendiului etc. c) Spuma cu coeficient mare de infoiere 6. Gaze inerte a) Bioxidul de carbon (CO2). Bioxidul de carbon este un gaz incolor si inodor. Se dizolva usor in apa, solubilitatea scazand o data cu cresterea temperaturii. Nu arde si nici nu intretine arderea. Un litru de bioxid de carbon in stare normala are greutatea de 1,976 kg; deci este mai greu decat aerul, proprietate care-l face foarte util pentru stingerea incendiilor. Temperatura lui critica fiind de + 31ºC se poate lichefia cu usurinta. Temperatura de fierbere a bioxidului de carbon lichid, la 760 mm kg, este de – 78,5ºC. La o temperatura de – 56,2ºC si la o presiune de 5,45 at, CO2 poate fi solid, lichid sau gazos. Dintr-un litru de bioxid de carbon lichid se obtin 462 litri de gaz (dintr-un kilogram se obtin 500 l). Daca bioxidul de carbon comprimat i se da posibilitatea sa se destinda pana la presiunea atmosferica, in acest caz se obtine bioxidul de carbon solid, sub forma de zapada carbonica. Fenomenul se numeste detenta, bioxidul de carbon avand greutatea specifica de 1,53. Bioxidul de carbon comprimat se transporta in butelii de otel. Presiunea bioxidului de carbon in butelie nu depinde numai de temperatura ci si de gradul de umplere a buteliei respective. Prin grad de umplere a buteliei se intelege raportul intre volumul buteliei in litri si bioxid de carbon in kilograme. In tabela 20 sunt date presiunile, greutatile specifice si volumul specific ale CO2 in butelii, la diferite temperaturi. Tabela 20 Presiunea, greutatea specifica si volumul specific CO2 Temperatura ºC - 30 - 20 - 10 0 + 10 + 20 + 25 + 30 + 31,4
Presiunea kg/cm² 13,35 19,06 25,99 34,54 44,95 57,46 61,50 73,50 99,00
Greutatea specifica kg/l 1,07 1,03 0,98 0,92 0,86 0,77 0,75 0,75 1,34
Volumul specific l/kg 0,93 0,97 1,02 1,08 1,16 1,30 1,34 1,34
Efectul de stingere al bioxidului de carbon se bazeaza, in principal, pe inabusirea focarului. Bioxidul de carbon introdus in focar inlatura aerul si ca urmare incendiul se stinge.
Cele mai bune rezultate la stingerea incendiilor cu bioxid de carbon se obtin in spatii inchise. Asa cum s-a mai aratat 1 kg de CO2 in stare gazoasa la temperatura obisnuita ocupa un volum de 500 litri. Bioxidul de carbon are asupra focarului si un efect de racire. In medie, se poate admite ca efectul de racire al unui kilogram de CO2 corespunde cu 15% din efectul de racire al unui kilogram de apa (circa 629 kcal/kg), considerand ca intreaga cantitate de apa se evapora. Bioxidul de carbon, ca agent de stingere are urmatoarele calitati: nu distruge obiectele si materialele atinse, fiind mai greu decat aerul patrunde usor in toate orificiile obiectului aprins; este rau conductor de electricitate; nu se deterioreaza la consevare indelungata; nu este sensibil la actiunea temperaturilor scazute. El prezinta si dezavantaje: greutatea prea mare a buteliei de otel (o butelie plina de 40 litri cantareste 110 kg); prin frecare de conducte, ajutaje, se formeaza electricitate statica, care poate initia explozii si incendii in anumite conditiii. Bioxidul de carbon este foarte eficace la stingerea inceputurilor de incendiu, la stingerea incendiilor de instalatii electrice, la stingerea incendiilor in calele navelor, la generatoarele de curent, transformatoare, in industria petroliera, muzee etc. In spatii inchise stingerea incendiilor se face mult mai usor decat in aer liber, pentru ca in incaperile inchise, concentratia necesara se mentine mult timp si se poate completa cu usurinta. In medie se poate admite, ca pentru stingerea incendiilor, la majoritatea substantelor este suficienta o concentratie de 30 – 35% CO2, in volum. Nu este recomandabil a se folosi bioxidul de carbon la stingerea incendiilor de: substante chimice care contin oxigen, metale reactive (sodiu, potasiu, magneziu, titan, kaliu etc.). b) Azotul este un gaz incolor, inodor si mai usor ca aerul. Solubilitatea in apa a azotului este foarte redusa, abia 2% in volum. Ca agent de stingere se foloseste in special in instalatii fixe de stingere a incendiilor. Se mai utilizeaza ca agent de stingere. La iesirea din recipiente se destinde de maximum 15 ori. 7. Pulberi stingatoare Dintre agentii stingatori cunoscuti si folositi cu succes fac parte si pulberile stingatoare. Rezultatele excelente, chiar si in cazul incendiilor de proportii de gaze sau lichide combustibile, posibilitatile bune de conservare cat si alte insusiri ale lor, fac ca pulberile stingatoare, in specail cele pe baza de bicarbonat de sodiu, sa constituie un agent de stingere deosebit de eficace. Componentul de baza al majoritatii pulberilor stingatoare este bicarbonatul. In afara pulberii pe baza de bicarbonat de sodiu, se produc si se folosesc pulberi pe baza de bicarbonat de potasiu, sulfat de amoniu, carbonat de sodiu, sulf, uree, diferiti produsi ai borului etc. Pe plan mondial s-au stabili trei grupe de pulberi stingatoare, in raport de natura incendiilor la care pot fi folosite: pulberi stingatoare B.C.E., eficace la stingerea incendiilor de lichide combustibile, la instalatii si aparate electrice; pulberi stingatoare A.B.C.E., folosite la categoriile de incendiu aratate mai sus, in plus sunt eficace si la stingerea incendiilor de materiale combustibile solide ca lemn, carbuni, paie etc.; pulberi stingatoare A.B.C.D.E., eficace la toate categoriile de incendii specificate mai sus, precum si la incendiile de metale usoare si aliajele acestora. La noi in tara se fabrica si se foloseste o pulbere stingatoare pe baza de bicarbonat de sodiu, de tipul B.C.E., denumita “pulvogen”. Cu cat procentul de bicarbonat de sodiu este mai mare cu atat capacitatea pulberii ca agent stingator creste, deoarece restul componentilor au rolul de a ameliora mobilitatea pulberii si de a o feri de aglomerare la umiditate. Sub actiunea caldurii bicarbonatul de sodiu se descompune dupa urmatoarea formula: 2 Na H CO3 ↔ Na2CO3 + CO2 + H2O Dintr-un kilogram de pulbere de bicarbonat de sodiu se degaja 0,26 kg bioxid de carbon. Acestei descompuneri ii corespunde un efect de racire de circa 95 kcal. In general, se considera ca intr-o pulbere eficace la stingere, proportia de bicarbonat de sodiu trebuie sa fie de circa 95%, continutul de carbonat sa nu depaseasca 3,4%, iar adaosurile de alte pulberi sa varieze intre 0,5 si 3%. Pentru utilizarea bicarbonatului de sodiu la obtinerea pulberilor stingatoare de mare eficacitate, o mare importanta are gradul de puritate a acestuia. Produsele comerciale au un grad de puritate de 98%. Mecanismul stingerii incendiilor cu pulbere. In legatura cu efectul de stingere al pulberii stingatoare au aparut mai multe teorii. Prima teorie, cea mai veche de altfel, se refera la actiunea componentilor, rezultati prin descompunerea termica a pulberii, asupra flacarilor. Efectul de stingere se bazeaza pe reducerea concentratiei de oxigen prin aparitia bioxidului de carbon si a vaporilor de apa, prin absorbtia de caldura si acoperirea pe cale mecanica a materialului aprins cu un strat de pulbere topita. Potrivit acestei teorii efectul de racire si de inabusire a focarului de catre produsele rezultate se considera neesential. Cea de-a doua teorie ia in considerare factorii mentionati la prima teorie, insa considera factor esential formarea stratului protector, in care are loc echilibrarea temperaturilor si a schimbului de caldura, in urma descompunerii pulberii. Cea de-a treia teorie, considera efectele de racire si de inabusire ca secundare si explica stingerea prin intreruperea reactiilor in lant, de ardere, ca urmare a patrunderii norului de pulbere in flacari. Radicalii activi rezultati din ardere se ciocnesc cu particulele de pulbere, transmitand acestora energia lor si drept consecinta mecanismul reactiei in lant se intrerupe.
Stingerea incendiilor cu pulbere este in realitate stingerea flacarilor. Totdeauna se va putea stinge cu pulbere numai asemenea volum de flacari care poate fi “acoperit” cu pulbere deodata. Metoda de stingerea incendiului timp indelungat si folosind pulbere cate putin, nu da rezultate. Factorii care determina eficacitatea pulberii stingatoare. Printre factorii cei mai importanti se citeaza: - suprafata specifica a unei pulberi reprezentand suma suprafetelor tuturor granulelor, care constituie unitatea de masa a produsului. In general ea se exprima in cm²/g. Pulberile cele mai fine au suprafata specifica cea mai mare, dar cresterea excesiva a suprafetei influenteaza negativ asupra mobilitatii pulberilor de refulare. Suprafata specifica cea mai convenabila este de 2000 – 2500 cm²/g; - granulozitatea pulberii influenteaza mobilitatea si conservarea produsului. Marimea granulelor poate varia intre 50 – 100 μ; - mobilitatea (fluiditatea) consta in opunerea unei rezistente mai mari sau mai mici la refularea pulberii prin diferite ajutaje. Ea depinde de granulozitate si trebuie sa se mentina ridicata, chiar in cele mai grele conditii de utilizare si dupa o depozitare indelungata. Dintre proprietatile negative se enumera: higroscopicitatea, aglomerarea, neuniformitatea granulatiei. 8. Hidrocarburi halogenate Hidrocarburile halogenate sunt hidrocarburile la care atomii de hidrogen se substituie cu atomii de halogeni (clor, fluor, brom). Cele mai cunoscute si folosite hidrocarburi halogenate sunt: tetraclorura de carbon (CCl4) si monoclorbromfluormetanul (CHFClBr). In ultimul timp, in strainatate, industria chimica a produs o serie de alte hidrocarburi halogenate care ar putea fi utilizate la stingerea diferitelor categorii de incendii. Aceste hidrocarburi au fost denumite “haloni” de la prescurtarea denumirii in limba engleza “halogenated hydrocarbon”. Fiecare halon este reprezenta de un numar. De exemplu, diflourclorbrommetan (CF2ClBr) – halon 1211; trifluordibrommmetan (CF2BrCF2Br) – halon 2402. Cifrele se refera la compozitia halonilor. - prima cifra arata numarul de atomi de C; - cea de-a doua de F, a treia de Cl si a patra de Br. Atomii lipsa sunt indicati printr-un zero. In comparatie cu tetraclorura de carbon si monoclorbrommetanul, restul halonilor halogenati sunt mai eficace. Ei au o mai mare capacitate de stingere si ca atare sunt necesare cantitati mai mici. De asemenea, nu lasa nici un fel de reziduuri si practic sunt lipsiti de toxicitate. Efectul de stingere al halonilor se bazeaza, in principal, pe efectul anticatalitic (inhibitie) si in secundar pe inabusire si suflu. Halonii la contactul cu flacarile, deci cu caldura, elibereaza atomii activi ai halogenilor respectivi (clor, brom, fluor etc.), care franeaza dezvoltarea reactiilor complexe ale arderii. Pe timpul stingerii unor anumite categorii de incendii, sub actiunea caldurii si flacarii si in prezenta urmelor de vapori de apa, de oxid de carbon si de alte gaze sau in contact cu unele corpuri puternic incalzite, cum sunt tabla de otel, lemnul incandescent etc., anumiti haloni pot degaja substante toxice. Cazul tipic il ofera tetraclorura de carbon care in contact cu tabla de otel inrosita reactioneaza asupra vaporilor de apa dand acid clorhidric si fosgen. CCl4 + H2O ↔ CO Cl + 2 H Cl Conditiile de producere a fosgenului se intrunesc destul de rar, printre ele numarandu-se existenta vaporlor de apa si a unei temperaturi de 600 – 700ºC. Halonilor ca agent de stingere li se cer anumite calitati: de stingere, fizice, chimice, fiziologice. Ca agenti de stingere, halonii sunt indicati a se folosi la stingerea incendiilor declarate la: cazanele fixe de fier uleiuri, cazanele de topit ceruri, instalatiile electice, autovehicule, automoatoarele de cale ferata, bordul avioanelor si salile masinilor navelor. Proprietatile fizice ale halonilor se refera la usurinta de a se putea refula de la distanta asupra focarului, raspandirea facandu-se suficient de repede pentru ca efectul de stingere sa se exercite pe o suprafata cat mai mare, intr-un timp minim. Printre calitatile chimice se enumera, stabilitatea la temperaturi scazute (asigurarea conservarii produsului in timp), stabilitatea la cald si degajarea de halogeni in timp scurt. Capitolul XXIII Substante toxice 1. Oxidul de carbon In timpul incendiului, ca produse ale arderii, alaturi de fum si diferite substante chimice (gaze) se intalneste si oxidul de carbon. In gazele de ardere continutul de oxid de carbon depaseste rareori 1%.
Oxidul de carbon se degaja la arderea carbunilor in sobe, la arderea incompleta a gazelor naturale in arzatoare, a lemnelor umede si a rumegusului in sobe. Oxidul de carbon este considerat a fi cel mai raspandit gaz toxic. El are greutatea specifica apropiata de a aerului (0,967 fata de 1), fapt care favorizeaza prezenta lui in aer la nivelul cailor respiratorii si difuzarea uniforma in aerul din incaperi sau din exterior. Oxidul de carbon este un gaz insipid, incolor si indor, de aceea patrunderea lui in plamani este neobservata. In unele intreprinderi, CO se utilizeaza in procesul de fabricatie. El prezinta un mare pericol de intoxicare pentru oameni, pe timpul interventiei la incendii fara aparate de protectie, pentru persoanele care dorm in incaperi in care sobele sau arzatoarele functioneaza pe timpul noptii. Intoxicatii cu bioxid de carbon se pot produce in garajele neaerisite si in cabinele soferilor. Actiunea toxica a oxidului de carbon se explica prin marea sa afinitate pentru hemoglobina din sange, cu care se combina, dand carboxihemoglobina. Primele simptome ale intoxicarii cu oxid de carbon (dureri de cap, ameteli, instabilitate, intensificarea batailor inimii, vomitari, slabirea accentuata a muschilor etc.) apar cand 20 – 30% din hemoglobina trece in carboxigemoglobina. Cand aceasta transformare ajunge la 40 – 50% accidentatul lesina, iar la 75 – 80% survine moartea. In general, o concentratie mai mare de 0,1% a oxidului de carbon in aer devine periculoasa, iar peste 1% provoaca moartea dupa cateva minute. Intoxicarile usoare se manifesta printr-o oboseala generala pe cand cele grave pot pune persoana intoxicata in imposibilitate de a se mai deplasa, din cauza unui inceput de paralizie a membrelor inferioare. In urma unei intoxicari grave, dupa ce trece printr-o stare similara cu betia, accidentatul isi pierde cunostinta, pupilele se maresc, fara a mai reactiona la lumina. Daca nu se iau masuri urgente, aceasta stare de intoxicare culmineaza cu agonia urmata uneori de moarte. La o intoxicare mai usoara, fata si buzele pot capata o culoare de rosu aprins, pe cand la o intoxicare grava. Fata devine palida. Primul ajutor care se acorda unui intoxicat cu bioxid de carbon consta in scoaterea acestuia din mediul toxic. Se recomanda repaos absolut, iar daca este necesar i se face respiratie artificiala energica, eventual o respiratie cu ajutorul aparatului de oxigen. 2. Bioxidul de carbon (CO2) Bioxidul de carbon este produsul final al procesului de ardere completa ca si al procesului de descompunere al substantelor organice. Este incolor, cu gust si miros caracteristic “acru” si mai greu decat aerului (greutatea specifica (1,52 fata de aer 1). Inspirat in cantitate mica si intr-un timp scurt nu prezinta pericol, insa in cantitate mare, irita si paralizeaza caile de respiratorii, provocand moartea instantanee (de exemplu la fermentarea mustului, in pivnitele de vin etc.). Inspirat in cantitate mica si intr-un timp indelungat produce o intoxicatie. O intoxicatie usoara provoaca ameteli, respiratie din ce in ce mai adanca, pulsatii la tample, fata se inroseste, apar batai de inima, producand in acelasi timp si o enervare a accidentatului. Aceste simptome dispar daca accidentatul este scos in aer curat. In cazul intoxicatiilor mai grave, la simptomele aratate mai sus, se adauga pierderea cunostintei si chiar oprirea repiratiei. O concentratie de 3 – 4% provoaca dureri de cap, de 4 – 8% palpitatii, iar la 10% moartea. Prezenta bioxidului de carbon in cantitate mai mare intr-o incapere se constata cu lumanarea; la o concentratie de 10% lumanarea se stinge. 3. Clorul Clorul este cunoscut de multa vreme ca un gaz sufocant si asfixiant. Se gaseste in natura ocupand 0,19% din scoarta pamantului, in cea mai mare parte sub forma de clorura de sodiu. In industria anorganica, clorul are multiple intrebuintari, folosindu-se la fabricarea acidului clorhidric de sinteza, a clorurilor metalice si nemetalice. In domeniul industrei chimice organice clorul se foloseste la fabricarea celulozei, dizolvantiilor si impregnantilor, la fabricarea insecticidelor, fungicidelor si ierbicidelor, materialelor plastice la clorurari organice si ca intermediari la fabricarea unor produse ca: fenol, glicerina, etil-glicol etc. Se foloseste si in industria textila. Clorul este un gaz de culoare galben-verzuie, cu miros puternic iritant, cu o greutate specifica de 2,41 (raportat la aer). La o presiune de 4 at se lichefiaza la 0ºC, iar la 6 at se lichefiaza la 20ºC. Aceste presiuni, se mentin si in butelii de otel in care clorul se pastreaza si se transporta. Clorul ataca caile respiratorii, iar la concentratii mai mari poate provoca asfixierea. Concentratia maxima admisa de STAS, pentru halele de fabricatie este de 0,01 mg Cl2/1 aer. Efectele provocate de inspirarea aerului la diferite concentratii de clor sunt: - de la 0,001 – 0,006 mg/1 aer, se produc efecte iritante; - de la 0,00834 mg/1 aer, se degaja miros neplacut, simptome dupa 1 – 2 ore; - de la 0,0111 mg/1 aer, prezinta cantitatea maxima permisa pentru expuneri de 0,5 – 1 ora; - 0,0350 mg/l aer, reprezinta cantitatea minima care cauzeaza iritatia imediata a gatului; - 0,0834 mg/1 aer, pricinuieste tuse puternica; - 2,80 mg/l aer provoaca moartea in 0,5 ore. O substanta nu poate actiona toxic daca nu este solubila in lichidele care se gasesc in organism (solubilitatea clorului in apa la temperatura si presiune normala este mai mare, un volum de apa dizolvand 2,6 volume clor).
Inspirat impreuna cu aerul, chiar in proportie mica, el produce un efect coroziv asupra membranei volumului, care devine permeabila pentru apa, permitand plasmei sanguine sa treaca in alveolele plamanului, incat acesta nu-si mai poate indeplini functia. La incendiul la care se constata prezenta clorului fie scapat din instalatii, fie degajat in urma arderii diferitelor materiale, in special al unor materiale plastice pe timpul recunoasterii si stingerii incendiilor se va folosi aparatul izolant. In caz de otravire cu clor, ca masura de prim ajutor, gazatul se scoate imediat din zona viciata cu clor si se transporta intr-o camera cu o temperatura de 20ºC. Accidentatul trebuie sa stea linistit pe spate. I se desface gulerul, mansetele, precum si in toate locurile unde poate fi jenat. El trebuie invelit cu o patura. Pentru usurarea respiratiei, gazatului i se da sa inhaleze vapori de alcool etilic sau eter. Este interzis sa se faca respiratie artificiala. 4. Acidul cianhidric Acidul cianhidric si sarurile sale sunt cele mai agresive substante toxice. Datorita toxicitatii sale, acidul cianhidric este folosit la combaterea daunatorilor plantelor si parazitilor si ca deratizant. Acidul cianhidric se foloseste la fabricarea materialelor plastice acrilice, a rasinilor polimetacrilice, a fibrelor sintetice poliacrilonitrilice de tip melana, rolan etc., la fabricarea nitrilului acrilic. Acidul cianhidric este un lichid cu punctul de fierebere de 25,7ºC. El este foarte toxic. Doza mortala pentru un om este 0,06 g. Inhalarea a 300 mg/m3, in decurs de 5 minute provoaca moartea. Agresivitatea toxica se caracterizeaza prin rapiditatea cu care actioneaza asupra organismului, cazurile de intoxicare cianhidrica fiind foarte greu de salvat. Intoxicarea se produce chiar si la inhalarea unei cantitati foarte reduse de acid cianhidric. Cu cat viteza de patrundere in organism a ionului CN este mai mare, cu atat mai mica este cantitatea care provoaca moartea. Toxicitatea prin piele este mai redusa, contactul cu pielea devine periculos atunci cand este mai prelungit. Intoxicarea cu acid cianhidric poate fi grava si foarte grava. Intoxicarea foarte grava apare in urma inhalarii vaporilor de HCN, uneori si a inghitirii acidului sau a cianurilor, din care cauza se produc pierderea constiintei, batai de inima in mod neregulat, care duc la moarte in 1 – 2 minute. Cea mai frecventa este intoxicarea grava, manifestata sub forma de ameteli, dureri de cap, iritarea cailor respiratorii si a limbii. Ea provoaca neliniste, deprimare, insa persoana intoxicata isi pastreaza totusi luciditatea. Ionul CN, odata intra in sange se fixeaza la nivelul celular printr-o combinare reversibila. Prelungirea intoxicarii duce la oprirea respiratiei, la incetarea vasoconstrictiei, avand drept urmare cresterea nevoii de oxigen. Prin micsorarea contratiei ventricolelor, se reduce si mai mult hranirea creierului. Ca simptome nervoase apar: agitatia, nelinistea si pierderea constiintei, mai repede sau mai incet, in functie de scoaterea persoanei din mediul toxic, convulsii tonice. De asemenea, apare mirosul de migdale amare la expiratie, in cazul intoxicarii prin inhalare si provoaca varsaturi, la inghitire. In cazul intoxicarii cu acid cianhidric se vor lua urmatoarele masuri: - scoaterea intoxicatului din atmosfera viciata. - efectuarea unei puternice oxigenari, printr-o respiratie artificiala. - administrarea de anticianuri specifice, care duc la cresterea nevoii de oxigen. - intarirea inimii pentru asigurarea imprastierii anticianurii si a oxigenului in organism. 5. Hidrogenul sulfurat Hidrogenul sulfurat este un gaz incolor, mai greu decat aerul, inflamabil, exploziv si toxic. Este bine cunoscut mirosul sau caracteristic de ou clocit, miros perceptibil mai ales la concentratii reduse; la concentratii mari, dimpotriva produce o oarecare anestezie olfactica, ce mascheaza pericolul. Hidrogenul sulfurat se intalneste destul de frecvent in procesul de fabricatie industriala. De asemenea se intalneste in starea naturala in unele substante, ape minerale si gaze naturale. El se degaja si in urma reactiilor chimice ale unor compusi care contin sulf (distilarea gudroanelor, rafinarea uleiurilor etc.) ca si la descompunerea materialelor organice. O concentratie de H2S de 16% in aerul respirat poate produce moartea imediat, la o concentratie de 1% moartea survine dupa o jumatate de ora. Concentratia maxima admisa pentru 8 ore de lucru e de aproximativ 15 mg/m3 aer. Inhalarea intensa de hidrogen sulfurat poate produce paralizie cardiorepiratorie si apoi moartea. Intoxicarea acuta este provocata de inhalarea hidrogenului sulfurat in doze mai putin puternice, se constata dureri de cap, greturi, o jena respiratorie cu accelerarea ritmului de respiratie, o oboseala intensa, o acclerare a batailor inimii, transpiratii abundente. La aceasta se adauga pericolul edemului pulmonar in urmatoarele ore sau zile. Intoxicarile subacute se manifesta prin: semne de iritatiei a aparatului respirator (rinita, uscarea mucoasei, gatului, accese violente de tuse etc.) semne digestive de tipul arsurilor gastrice, crampe, tulburari nervoase cu oboseala generala, ameteli, semne oculare (conjuctivita, secretii mucopurulente, mancarimi etc.), inflamarea corneei. Cu exceptia cazurilor de moarte subita, intoxicarea cu hidrogen sulfurat se inlatura destul de rapid prin extragerea toxicului din organism si printr-un tratament bine aplicat. Hidrogenul sulfurat este rapid oxidat in organism si eliminarea se face pe cale intenstinala si urinara, nu exista fenomene de acumulare.
6. Amoniacul Amoniacul se gaseste frecvent in industria frigorifica si industria ingrasamintelor artificiale si a produselor chimice de sinteza. Amoniacul este un gaz incolor, mai usor decat aerul (densitate 0,597), se lichefiaza la - 33ºC sub presiune atmosferica si se solidifica la aproximativ - 78ºC. Amoniacul este foarte caustic. El ataca in special mucoasele si poate fi cauza unor reactii ca necroza traheobronhica, care poate fi urmata de un edem pulmonar sau hemoragii intenstilanale, care constituie complicatii tardive. Leziunile oculare pot surveni atat sub actiunea amoniacului cat si prin contactul cu stropii de solutie amoniacala. Indigestia provocata de solutia amoniacala poate fi urmata de complicatii grave. 7. Oxizii de azot Oxizii de azot sunt toxici si iritanti. Ei se degaja pe timpul descompunerii termice a azotatului de amoniu, in timpul lucrarilor de sudura autogena sau cu arc. Oxidul de azot (NO) este considerat ca fiind mai putin toxic decat bioxidului de azot (NO2). Datorita proprietatii sale de a se combina cu hemoglobina din sange, NO se considera ca are acelasi efect ca cel al oxidului de carbon. Concentratia maxima admisibila in opt ore lucru de munca este de 0,009 mg/l. 8. Fosgenul Fosgenul apare in urma cracarii hidrocarburilor halogenate (tetraclorura de carbon, tricoletilena etc.) ca si la fabricarea clorurii de aluminiu. La cracarea usoara a tricloretilenei se degaja acid clorhidric si fosgen, care sunt produse toxice chiar decat hidrocarbura halogenata. Astfel de descompuneri sunt posibile mai ales la contactul tricloretilenei cu tevile calde. Folosirea tetraclorurii de carbon, ca agent stingator la incendii cu temperaturi ridicate se soldeaza adeseori, cu degajare de fosgen. Fosgenul se degaja si in faza de condensare a clorurii de aluminiu tehnice si anume la descarcarea produsului din condensatoare in containere, in faza de sublimare, la operatia de incarcare a clorurii de aluminiu in retorte. La locul de descarcare a clorurii de aluminiu in containere s-a determinat o medie de fosgen de 158 mg/m3. Pe baza calculelor si experimentarilor efectuate s-a determinat pentru 356 kg/h clorura de aluminiu manipulata, o degajare de 0,007 kg/h fosgen. Fosgenul inhalat provoaca o inflamare a cailor respiratorii si chir un edem pulmonar. Fosgenul are limita de suportabilitate 20 mg/m3, iar concentratia maxima admisibila de 0,5 mg/m3. 9. Hidrocarburi halogenate Hidrocarburile halogenate cele mai raspandite si cu pericol de intoxicare sunt tetraclorura de carbon si tricloretilena. Tetraclorura de carbon inhalata intr-un timp oarecare, distruge ficatul si rinichii. De asemenea are un efect iritant asupra mucoaselor, produce indispozitii, oboseala, respiratie grea. In cazul concentratiilor foarte ridicate apar efecte de narcoza ca la cloroform. Tricloretilena inhalata poate provoca leziuni acute si cronice. O parte din tricloretilena introdusa in corpul omenesc este evacuata sub forma de acid acetic triclorat prin urina. Inhalata in concentratie mai mare provoaca greata, ameteli, iritarea ochilor si a cailor respiratorii. Un efect prelungit al tricloretilenei provoaca leziuni hepatice si ale sistemului nervos central. Inspirarea pe timp indelungat a vaporilor de tricloretilena provoaca moartea. Proprietatile toxice ale tricloretilenei sunt mai periculoase la persoanele sub actiunea alcoolului. 10. Fumul Fumul ca produs al majoritatii produselor de ardere, este format din particule nearse, vapori si gaze. In raport de culoarea si gustul fumului se poate stabili materialul care arde. In tabela 21 se dau caracteristicile fumului provenit din arderea celor mai intalnite materiale si substante combustibile. Tabela 21 Caracteristicile fumului rezultat din arderea unor materiale
Materialul si substanta care arde Lemn Hartie, paie, fan Titei, produse petroliere Cauciuc Fosfor Sulf Potasiu metalic Celuloid Materiale plastice (PVC) Tesaturi
Culoare Negru-cenusiu Alb-galbui Negru Negru-brun Alb Alb-galben Albastrui Alb-intens Negru-brun Negru Brun
Caracteristicile fumului Miros Rasina Titei Usturoi Sulf Sulf
Gust Acrisor Acrisor Acid Acid
Sulf Clor Specific
Alcalin Acid Acrisor
