Difúze vodní páry v konstrukci

Co žene páru v zimním, chladném období dovnitř obvodové konstrukce a proč tu kondenzuje? Pára se do konstrukce dostává dvěma způsoby. Buď společně s proudícím vzduchem netěsnými místy v konstrukci nebo tzv. difúzí. U difúze se zastavíme.

Difúze je transport látky který vyplývá ze statistického chování molekul látek, v našem případě molekul vodní páry, které jsou obsaženy ve vzduchu. Tyto molekuly konají ve vzduchu spontánní, chaotický pohyb do všech směrů. Z míst o vyšší koncentraci vodní páry se přirozeně šíří do okolí více molekul než než z míst o nižší koncentraci. To směřuje k samovolnému vyrovnávání rozdílných koncentrací v různých místech. Po vyrovnání koncentrací pohyby molekul neustanou, pouze se kompenzují hmotnostní toky: stejné množství molekul páry, které v rovnováze z nějakého objemu "odteče", do něj z okolí zase "přiteče". To již za difúzi nepovažujeme.

Difúze vodní páry a hnací síly

Mluvíme-li o difúzi vodní páry ve stavebnictví, máme na mysli pouze transport molekul vodní páry ve vzduchu, nebo ve vzduchem vyplněných pórech a kanálcích stavebních materiálů. Při výpočtech většinou nepracujeme s koncentracemi, ale částečnými tlaky vodní páry (tlak, kterým by molekuly páry působily na stěny nádoby, kdyby byly v nádobě samy, bez ostatních atmosférických plynů). Předpokládejme, že spolu sousedí dvě prostředí s různými počátečními částečnými tlaky vodní páry. Většinou nás zajímají případy, kdy jde o vnitřní a venkovní vzduch oddělený obvodovou zdí. Potom molekuly s vyšším částečným tlakem putují do sousedství ve větší míře, než je tomu naopak, dokud se částečné tlaky nevyrovnají. Zeď tomuto pohybu klade tím větší překážku, čím je tlustší a čím menší je její součinitel difúzního prostupu, což je analogie součinitele prostupu tepla. Přestože molekuly "necítí", že by byly někam hnány a pohybují se zcela nahodile, z makroskopického pohledu vystupuje jako hnací síla pro difúzní transport páry rozdíl částečných tlaků vodní páry (dělený vzdáleností míst s různými částečnými tlaky). Tato síla a tudíž i difúze zaniknou s vyrovnáním částečných tlaků. V případě vodní páry - na rozdíl od většiny běžných plynů - může transport zkomplikovat kondenzace vodní páry.

Rosný bod

Vodní pára má vlastnost, že při běžných teplotách přijatelných pro život může její částečný tlak ve vzduchu stoupat od nuly pouze do hodnoty částečného tlaku syté páry. Další přírůstky vodní páry při nezměněné teplotě jen kondenzují, ale obsah vodní páry ve vzduchu nezvyšují. Částečný tlak velmi silně, exponenciálně závisí na teplotě, viz obr. 1.

Obr. 1 Hodnoty částečných tlaků syté vodní páry při různých teplotách při standardním tlaku 101 325 Pa. Modrá křivka ukazuje naměřené hodnoty [1], červená ukazuje teoretickou závislost vyjádřenou exponenciální funkcí.

Je-li částečný tlak vodní páry ve vzduchu rovný částečnému tlaku syté páry, říkáme, že vzduch má relativní vlhkost 100 %. Například vzduch o teplotě 20 °C, v němž je částečný tlak vodní páry roven 2336,74 Pa, má (při dané teplotě 20 °C) maximální možnou vlhkost a tedy relativní vlhkost 100 %. Jestliže při stejné teplotě je tlak vodní páry jen 1168,37 Pa, má vzduch relativní vlhkost 50 %. Vzduch o teplotě 25 °C s obsahem vodní páry o částečném tlaku 2336,74 má relativní vlhkost 73.83 %. Rosný bod (přesněji teplota rosného bodu) takového vzduchu je 20 °C; neboť jeho ochlazením na tuto teplotu začíná kondenzace.

Z exponenciální závislosti tlaku syté páry na teplotě plynou některé vážné důsledky. I když je doma sucho a venku je vlhký vzduch, pára intenzivně difunduje zevnitř ven díky vysoké vnitřní teplotě. Vskutku: jestliže je v zimě -15 °C a relativní vlhkost 100%, pak je částečný tlak páry 165 Pa (obr. 1). Je-li uvnitř 20 °C a relativní vlhkost 50 % (sucho), potom je částečný tlak syté páry 1168.37 Pa. Rozdíl tlaků je 1003 Pa. Při tloušťce obvodové obvodové konstrukce 0,45 m je zobecněná síla1, která "žene" difuzi vodní páry z vnitřku ven, 1003/ 0,45 = 2229 Pa/m.

Zóna kondenzace

Pokud teploty v konstrukci - zejména teploty ve vrstvě izolace - klesají rychleji než teplota rosného bodu, což je v zimě často, může v konstrukci dojít nejprve ke vzniku rosného bodu, později místo, kde se začala srážet pára, rozšíří do oblasti konečné tloušťky, tzv. zóny kondenzace. Za velmi studeného počasí vzniká v určité hloubce od vnitřního povrchu různě tlustá zóna kondenzace prakticky u všech typů konstrukcí, jednovrstvých i vícevrstvých. V teplém období se většinou kondenzát odpaří.

Nejméně náchylné ke vzniku zóny kondenzace jsou jsou vícevrstvé stěny s mohutnou vrstvou tepelné izolace z venkovní strany tehdy, jestliže vnitřní stěny propouštějí vodní páru málo a venkovní vrstva izolace propouští vodní páru výrazně lépe než vnitřní vrstvy a je odvětrávána. Za uspokojivé je pokládáno (z pohledu difúze) i obrácené řešení, kdy silná vrstva tepelné izolace z venkovní strany propouští páru velmi málo, ale tepelně izoluje tak dobře, že v nosné vnitřní vrstvě nevzniká v zimě významný teplotní pokles. Díky tomu vzniká případná kondenzace jen v izolaci, ale její množství je tak malé (dík malé difúzní propustnosti izolantu), že toto řešení je považováno za trvanlivé a bezpečné.

1 Pojem zobecněné síly je ve fyzice častý. Např. rozdíl polohové energie mezi dvěma místy dělený rozdílem výšek obou míst je známá mechanická síla f měřená v newtonech. Rozdíl teplot mezi dvěma místy dělený jejich vzdáleností - teplotní gradient - ΔT/d je zobecněná síla, která určuje velikost toku tepla, např. podle rovnice Q = λ·(ΔT / d). Konečně difúzní tok hmoty Ψ, vyvolaný rozdílem částečných tlaků Δp mezi dvěma prostředími oddělenými stěnou tlouštky d o součiniteli difúze δ, je dán rovnicí Ψ = δ·(Δp / d).

Kam dál?

Difúze a kondenzace vodní páry – difúzně otevřené konstrukce
Difúze vodní páry - veličiny, hodnoty a jednotky
Vlhkost vzduchu v bytě a její stanovení (výpočtový program)

Autor:
Foto: Archiv firmy