|
Fáze Změny a Chlazení: |
||
 |
Autoři: Rachel Casiday a Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Chladničky)
- Fáze
- Pevné
- Kapalina
- Plyn,
- Fázové Přechody
- Fúze/ Zmrazení
- Odpařování/ Kondenzace
- Sublimace/ Depozice
- Lámání nebo Tvorbu Mezimolekulárních Atrakcí ve Fázových Přechodů
- Změna Entalpie (ΔH) Fázových Přechodů
- Chladící Cyklus
Související Návody
- Kapely, Dluhopisy a Doping: Jak Udělat Led diody Práci?,
- Zákony Plynu Zachránit Život: Chemie Za airbagů
Úvod: Tepelné Motory a Chladící
Chlazení umožnilo velký pokrok v naší schopnosti k ukládání potravin a dalších látek, bezpečně po dlouhou dobu. Stejná technologie používaná pro provoz chladniček se používá také v klimatizačních zařízeních. Jak tato technologie pracuje na výrobě chladného vzduchu, když jsou vnější podmínky horké?, Jak uvidíme, ledničky (a klimatizační zařízení) spoléhat na termodynamické aplikace, známý jako tepelný motor, stejně jako molekulární vlastnosti látky obsažené ve výměníku chladničky.
jednou z nejdůležitějších praktických aplikací principů termodynamiky je tepelný motor (Obrázek 1). V tepelném motoru je teplo absorbováno z“ pracovní látky “ při vysoké teplotě a částečně přeměněno na práci. Tepelné motory nejsou nikdy 100% účinné, protože zbývající teplo (tj., teplo není přeměněno na práci) se uvolňuje do okolí, které je při nižší teplotě. Parní stroje používané k napájení raných vlaků a elektrických generátorů jsou tepelné motory, ve kterých je voda pracovní látkou. U zpětného tepelného motoru (Obrázek 2) dochází k opačnému účinku. Práce se převádí na teplo, které se uvolňuje.
Číslo 1
V tepelném motoru, vstupní tepla způsobuje zvýšení teploty pracovní látky, což umožňuje pracovní látky k výkonu práce., V tomto schematickém diagramu je pracovní látkou voda. Při vysoké teplotě tlačí plynná voda (pára) píst, což způsobuje otáčení kola. To je základní mechanismus, kterým fungují parní vlaky.
Obrázek 2
V opačném tepelný motor, práce, vstup je převeden na tepelném výkonu. V tomto případě práce (generovaná elektřinou) kondenzuje plynnou vodu (páru) a tlačí ji do cívky pro výměnu tepla., V cívce se teplota vody snižuje, protože zkapalňuje a uvolňuje teplo do životního prostředí.
V roce 1851, Florida lékař John Gorrie byl udělen první AMERICKÝ Patent na chladicí stroj, který používá reverzní tepelného motoru (viz Obrázek 2) jako první krok v jeho provozu. Gorrie, přesvědčená, že lék na malárii byl chladný, protože ohniska byla ukončena v zimě, se snažila vyvinout stroj, který by mohl v horkém létě na Floridě vytvořit led a ochladit pokoj pacienta. V Dr., Gorrieho chladnička, vzduch byl stlačen pomocí čerpadla, což způsobilo zvýšení teploty vzduchu (výměna práce za teplo). Spuštění tohoto stlačeného vzduchu potrubím ve studené vodní lázni uvolnilo teplo do vody. Vzduch se pak mohl znovu rozšířit na atmosférický tlak, ale protože ztratil teplo na vodu, teplota vzduchu byla nižší než dříve a mohla být použita k ochlazení místnosti.
moderní chladničky pracují na stejném principu obráceného tepelného motoru při přeměně práce na teplo, ale používají jiné látky než vzduch., Pracovní látka v moderních chladničkách se nazývá chladicí kapalina; chladicí kapalina se mění z plynu na kapalinu, protože přechází z vyšší na nižší teplotu. Tato změna z plynu na kapalinu je fázový přechod a energie uvolněná při tomto přechodu závisí hlavně na intermolekulárních interakcích látky.Abychom pochopili chladicí cyklus používaný v moderních chladničkách, je nutné nejprve diskutovat o fázových přechodech.
fáze a fázové přechody
hmota existuje hlavně ve třech různých fázích (fyzikální stavy): pevná, kapalná a plynná., Fáze je forma hmoty, která je jednotná v chemickém složení a fyzikálních vlastnostech. Jak je znázorněno na Obrázku 3, což je látka v pevné fázi má určitý tvar a objem; látka v kapalné fázi nemá definitivní podobu, ale má určitý objem; látka v plynné fázi nemá žádný určitý tvar nebo objem, ale nemá určitý tvar a objem určuje tvar a velikost nádoby.,
Obrázek 3
Toto schéma ukazuje rozdíly ve fyzikálních vlastnostech a uspořádání částic látky na pevné, kapalné a plynné fázi. V pevné látce jsou částice baleny v tuhé konfiguraci, což dává látce určitý tvar a velikost. V kapalině jsou částice blízko sebe, ale mohou se pohybovat vůči sobě navzájem, což dává látce určitý objem, ale tekutý tvar., V plynu mohou částice zabírat celý objem nádoby, takže jejich tvar a objem jsou definovány nádobou.
Molekulární (Mikroskopické) Zobrazení
Jedním z hlavních rozdílů v těchto třech fází je znázorněno na Obrázku 3 je počet mezimolekulárních interakcí, které obsahují. Částice v pevné komunikovat se všemi jejich nejbližší sousedé, částice v kapalině komunikovat s pouze některé z okolních částice, a částice v plynu téměř žádné interakce s druhými., Přerušením nebo vytvořením intermolekulárních interakcí se látka může změnit z jedné fáze do druhé. Například molekuly plynu kondenzují za vzniku kapalin kvůli přítomnosti atraktivních intermolekulárních sil. Čím silnější jsou atraktivní síly, tím větší je stabilita kapaliny (což vede k vyšší teplotě varu). Změna fyzického stavu hmoty se nazývá fázový přechod. Názvy fázových přechodů mezi pevným, kapalným a plynem jsou uvedeny na obrázku 4.,
fázové přechody jsou podobné chemickým reakcím, protože každá z nich má přidruženou entalpickou změnu. Zatímco chemická reakce zahrnuje lámání a formování vazeb uvnitř molekul, fázové přechody zahrnují lámání nebo formování intermolekulárních atraktivních sil. Fázové přechody zahrnující přerušení intermolekulárních atrakcí (jako je fúze, odpařování a sublimace) vyžadují vstup energie k překonání atraktivních sil mezi částicemi látky., Fázové přechody zahrnující tvorbu mezimolekulárních atrakcí ( jako je zmrazení, kondenzace a depozice) uvolňují energii jako částice přijmout nižší energetickou konformaci. Síla intermolekulárních zajímavostí, mezi molekuly, a tedy množství energie potřebné k překonání těchto atraktivních sil (stejně jako množství energie uvolní, když se atrakce jsou tvořeny) závisí na molekulárních vlastnostech látky. Obecně platí, že čím více je molekula polární, tím silnější jsou atraktivní síly mezi molekulami., Proto více polárních molekul obvykle vyžaduje více energie k překonání intermolekulárních atrakcí a uvolnění více energie vytvořením intermolekulárních atrakcí.,0; enthalpy decreases
(exothermic process)
(gas to liquid)
(exothermic process)
(gas to solid)
(exothermic process)
Figure 4
This diagram shows the names of the phase transitions between solids, liquids, and gases., Šipka vpravo od diagramu ukazuje, že tyto tři fáze mají různé entalpie: plyn má nejvyšší entalpii, kapalina má střední entalpii a pevná látka má nejnižší entalpii.
Tabulka 1
Tato tabulka ukazuje znamení změnu entalpie pro každý z fázových přechodů je popsáno výše. Připomeňme, že endotermické procesy mají pozitivní změnou entalpie a exotermické procesy mají negativní změnu entalpie.,
Termodynamické (Makroskopické) Zobrazení
kromě mikroskopického pohledu je uvedeno výše, můžeme popsat fázové přechody v oblasti makroskopické termodynamické vlastnosti. Je důležité mít na paměti, že mikroskopické a makroskopické pohledy jsou vzájemně závislé; tj. termodynamické vlastnosti, jako je entalpie a teplota, látky jsou závislé na molekulárním chování látky.
fázové přechody jsou doprovázeny změnami entalpie a entropie., V tomto tutoriálu se budeme zabývat především změnami entalpie. Změna energie podílí lámání nebo tvořit mezimolekulární atrakcí je primárně dodávané nebo uvolňuje ve formě tepla. Přidání tepla způsobuje přerušení intermolekulárních atrakcí. Jak k tomu dochází? Teplo je přenos energie do molekul, což způsobuje, že molekuly zvýšit jejich pohybu, jak je popsáno pomocí kinetické teorie plynů, a tím oslabení intermolekulárních sil drží molekuly v místě., Podobně, když molekuly ztrácejí teplo, intermolekulární atrakce jsou posíleny; jak se ztrácí teplo, molekuly se pohybují pomaleji, a proto mohou více interagovat s jinými molekulami v okolí.
protože fázové změny se obvykle vyskytují při konstantním tlaku (tj. v reakční nádobě otevřené atmosféře), může být teplo popsáno změnou entalpie (ΔH=qp). Pro fázové přechody zahrnující lámání mezimolekulárních atrakce, teplo je přidán a ΔH je pozitivní, systém je bude z nižší-entalpie fáze vyšší entalpie fáze (endotermický proces)., Fúze, odpařování a sublimace jsou tedy všechny endotermické fázové přechody. Pro fázové přechody zahrnující formování mezimolekulárních atrakce, teplo se uvolňuje, a ΔH je negativní, protože systém se bude z vyšší entalpie fáze na nižší-entalpie fáze (exotermický proces). Zmrazení, kondenzace a ukládání jsou tedy všechny exotermické fázové přechody. Změna entalpie pro každý z procesů fázového přechodu na obrázku 4 je uvedena v tabulce 1 výše.,
entalpická změna fázových přechodů může být také použita k vysvětlení rozdílů v bodech tání a bodech varu látek. Při daném tlaku, látka má charakteristický rozsah teplot, při kterých prochází fázovými přechody, například, teplota tání je teplota, při níž látka mění z pevné fáze do kapalné fáze a bod varu je teplota, při níž látka mění z kapalné fáze do plynné fáze., Obecně platí, že čím větší je změna entalpie pro fázový přechod, tím vyšší je teplota, při které látka prochází fázovým přechodem. Například, kapaliny se silnou mezimolekulární atrakce vyžadují více tepla k odpařování, než kapaliny s slabých mezimolekulárních atrakce; proto bod varu (odpařování bod) u těchto tekutin bude vyšší než u kapalin s slabší mezimolekulární atrakce.
chlazení
nyní použijeme naše chápání tepelných motorů a fázových přechodů, abychom vysvětlili, jak fungují chladničky., Entalpie změny spojené s fázovými přechody mohou být použity pomocí tepelného motoru (viz Obrázek 1) k práci a k přenosu tepla mezi látkou prochází fázovým přechodem a jeho okolní prostředí. V tepelném motoru“ pracovní látka “ absorbuje teplo při vysoké teplotě a přeměňuje část tohoto tepla na práci. V sekundárním procesu se zbytek tepla uvolňuje do okolí při nižší teplotě, protože tepelný motor není 100% účinný.
jak je znázorněno na obrázku 2, chladnička může být považována za tepelný motor v opačném směru., Chladicí účinek v chladničce je dosažen cyklem kondenzace a odpařování chladicí kapaliny, což je obvykle netoxická sloučenina CCl2F2 (Freon-12). Chladnička obsahuje elektricky poháněný kompresor, který pracuje na Freon plynu. Cívky mimo chladničku umožňují freonu uvolňovat teplo, když kondenzuje, a cívky uvnitř chladničky umožňují freonu absorbovat teplo, když se odpařuje. Obrázek 5 ukazuje fázové přechody freonu a jejich související události výměny tepla, ke kterým dochází během chladicího cyklu.,
 |
|
 |
Klikněte na růžové tlačítko pro zobrazení QuickTime film ukazuje animaci chladicí cyklus. |
|
|
výše popsaný cyklus neběží nepřetržitě, ale je řízen termostatem., Když teplota uvnitř chladničky stoupne nad nastavenou teplotu, termostat spustí kompresor. Jakmile je chladnička ochlazena pod nastavenou teplotu, kompresor je vypnutý. Tento řídicí mechanismus umožňuje chladničce šetřit elektřinu pouze tím, že běží tolik, kolik je nutné k udržení chladničky na požadované teplotě.
chladničky jsou v podstatě tepelné motory pracující v opačném směru. Zatímco tepelný motor převádí teplo do práce, reverzní tepelné motory přeměňují práci na teplo., V chladničce se generované teplo přenáší na vnější stranu chladničky. Pro chlazení chladničky je nutná“ pracovní látka“ nebo „chladicí kapalina“, jako je Freon. Chladnička pracuje pomocí cyklu komprese a expanze na freonu. Práce se provádí na freonu kompresorem a Freon uvolňuje teplo do vzduchu mimo chladničku (protože prochází exotermickou kondenzací z plynu do kapaliny)., Pro regeneraci plynného freonu pro kompresi prochází Freon vnitřní cívkou, kde prochází endotermickou odpařováním z kapalné fáze do plynné fáze. Tento endotermický proces způsobuje, že Freon absorbuje teplo ze vzduchu uvnitř chladničky a chladí chladničku.
další odkazy:
- pro více informací o tom, jak fungují chladničky, viz tento web z „How Stuff Works“ od Marshalla Briana.
Brown, Lemay a Bursten. Chemie: Ústřední věda, 7.ed., s. 395-98.
Petrucci a Harwood., Obecná chemie, 7., s. 435, 699-701, 714-15.
Poděkování:
autoři děkuji Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor a Carolyn Herman pro mnoho užitečné návrhy při psaní tohoto návodu.
rozvoj tento kurz byl podpořen grantem z Howard Hughes Medical Institute, prostřednictvím Bakalářských Biologických Věd Vzdělávací program, Grant HHMI# 71199-502008 na Washington University.