|
Fase Ændringer og Køleanlæg: |
||
 |
Forfattere: Rachel Casiday og Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Køleskabe)
- Faser af Sagen
- Fast
- Flydende
- Gas
- faseovergange
- Fusion/ Frysepunkt
- Fordampning/ Kondens
- Sublimation/ Deposition
- at Bryde eller Dannelsen af Intermolekylære Attraktioner i Fase Overgange
- Skift i Enthalpi (ΔH) af faseovergange
- kølekredsløbet
Relateret Tutorials
- Bands, Obligationer, og Doping: Hvordan Lysdioder Arbejde?,
- gaslove redder liv: kemien bag airbags
introduktion: varmemotorer og køling
køling har muliggjort store fremskridt i vores evne til at opbevare mad og andre stoffer sikkert i lange perioder. Den samme teknologi, der bruges til at køre køleskabe, bruges også i klimaanlæg. Hvordan fungerer denne teknologi til at producere kølig luft, når de eksterne forhold er varme?, Som vi skal se, er Køleskabe (og klimaanlæg) afhængige af den termodynamiske applikation kendt som varmemotoren samt de molekylære egenskaber af stoffet indeholdt i køleskabets spoler.
en af de vigtigste praktiske anvendelser af termodynamikprincipperne er varmemotoren (Figur 1). I varmemotoren absorberes varme fra et” arbejdsstof ” ved høj temperatur og omdannes delvist til arbejde. Varmemotorer er aldrig 100% effektive, fordi den resterende varme (dvs . , ikke omdannes til arbejde) frigives til omgivelserne, som er ved en lavere temperatur. De dampmaskiner, der bruges til at drive tidlige tog og elektriske generatorer, er varmemotorer, hvor vand er arbejdsstoffet. I en omvendt varmemotor (figur 2) forekommer den modsatte virkning. Arbejdet omdannes til varme, som frigives.
Figur 1
I en varme motor, et input af varme forårsager en stigning i temperaturen af den arbejdende stof, så arbejder stof til at udføre arbejde., I dette skematiske diagram er arbejdsstoffet vand. Ved høj temperatur skubber gasformigt vand (damp) et stempel, hvilket får et hjul til at dreje. Dette er den væsentlige mekanisme, hvormed dampdrevne tog fungerer.
Figur 2
I en omvendt varme motor, et værk input er konverteret til en varmeproduktion. I dette tilfælde kondenserer arbejdet (genereret af elektricitet) gasformigt vand (damp) og skubber det ind i en varmevekslingsspole., I spolen sænkes vandets temperatur, når den flyder og frigiver varme til miljøet.
i 1851 fik Florida-lægen John Gorrie det første amerikanske Patent på en kølemaskine, der bruger en omvendt varmemotor (figur 2) som det første trin i dens drift. Gorrie, overbevist om, at kuren mod malaria var kold, fordi udbrud blev afsluttet om vinteren, forsøgte at udvikle en maskine, der kunne fremstille is og afkøle en patients værelse i den varme Florida-sommer. I DR., Gorrie ‘ S køleskab, luft blev komprimeret ved hjælp af en pumpe, hvilket fik luftens temperatur til at stige (udveksling af arbejde til varme). Kørsel af denne trykluft gennem rør i et koldt vandbad frigav varmen i vandet. Luften fik derefter lov til at ekspandere igen til atmosfærisk tryk, men fordi den havde mistet varme til vandet, var lufttemperaturen lavere end før og kunne bruges til at afkøle rummet.
moderne køleskabe fungerer efter det samme omvendt varmemotorprincip om at omdanne arbejde til varme, men bruger andre stoffer end luft., Arbejdsstoffet i et moderne køleskabe kaldes kølevæsken; kølemidlet skifter fra gas til væske, når det går fra højere til lavere temperatur. Denne ændring fra gas til væske er en faseovergang, og den energi, der frigives ved denne overgang, er hovedsageligt afhængig af stoffets intermolekylære interaktioner.For at forstå kølecyklussen, der anvendes i moderne køleskabe, er det derfor nødvendigt først at diskutere faseovergange.
faser og faseovergange
materie findes hovedsageligt i tre forskellige faser (fysiske tilstande): Fast, Flydende og gas., En fase er en form for stof, der er ensartet i kemisk sammensætning og fysiske egenskaber. Som vist i Figur 3, et stof i den faste fase har en bestemt form og størrelse; et stof i den flydende fase har ikke nogen fast form, men har en bestemt mængde; et stof i gasfasen har ikke nogen fast form eller volumen, men har en form og volumen bestemt af formen og størrelsen af beholderen.,
Figur 3
Dette diagram viser forskelle i de fysiske egenskaber og partikel ordning mellem et stof i fast, flydende og gas-faser. I et fast stof pakkes partiklerne i en stiv konfiguration, hvilket giver stoffet en bestemt form og størrelse. I en væske er partiklerne tæt sammen, men kan bevæge sig i forhold til hinanden, hvilket giver stoffet et bestemt volumen, men en væskeform., I en gas kan partiklerne optage hele beholderens volumen, således at deres form og volumen begge er defineret af beholderen.
Molekylær (mikroskopisk) visning
en af de største forskelle i de tre faser illustreret i figur 3 er antallet af intermolekylære interaktioner, de indeholder. Partiklerne i et fast stof interagerer med alle deres nærmeste naboer, partiklerne i en væske interagerer kun med nogle af de nærliggende partikler, og partiklerne i en gas har næsten ingen interaktion med hinanden., Ved at bryde eller danne intermolekylære interaktioner kan et stof ændre sig fra en fase til en anden. For eksempel kondenserer gasmolekyler til dannelse af væsker på grund af tilstedeværelsen af attraktive intermolekylære kræfter. Jo stærkere de attraktive kræfter er, desto større er væskens stabilitet (hvilket fører til en højere kogepunktstemperatur). En ændring i materiens fysiske tilstand kaldes en faseovergang. Navnene på faseovergange mellem fast, flydende og gas er vist i figur 4.,
faseovergange ligner kemiske reaktioner, da de hver især har en tilknyttet entalpiændring. Mens en kemisk reaktion involverer brud og dannelse af bindinger inden for molekyler, involverer faseovergange brud eller dannelse af intermolekylære attraktive kræfter. Faseovergange, der involverer brud på intermolekylære attraktioner (såsom fusion, fordampning og sublimering) kræver et input af energi for at overvinde de attraktive kræfter mellem stoffets partikler., Faseovergange, der involverer dannelse af intermolekylære attraktioner (såsom frysning, kondensation og deponering) frigiver energi, når partiklerne vedtager en konformation med lavere energi. Styrken af de intermolekylære attraktioner mellem molekyler og derfor mængden af energi, der kræves for at overvinde disse attraktive kræfter (såvel som mængden af energi frigivet, når attraktionerne dannes) afhænger af stoffets molekylære egenskaber. Generelt, jo mere polært et molekyle er, desto stærkere er de attraktive kræfter mellem molekyler., Derfor kræver flere polære molekyler typisk mere energi for at overvinde de intermolekylære attraktioner og frigive mere energi ved at danne intermolekylære attraktioner.,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., Pilen til højre for diagrammet viser, at disse tre faser har forskellige enthalpies: gas har den højeste enthalpi, væske har en mellemliggende enthalpi, og fast har den laveste enthalpi.
tabel 1
denne tabel viser tegn på entalpiændringen for hver af de ovenfor beskrevne faseovergange. Husk, at endoterme processer har en positiv entalpiændring, og eksoterme processer har en negativ entalpiændring.,
termodynamisk (makroskopisk) visning
ud over den ovenfor beskrevne mikroskopiske visning kan vi beskrive faseovergange med hensyn til makroskopiske, termodynamiske egenskaber. Det er vigtigt at huske på, at de mikroskopiske og makroskopiske synspunkter er indbyrdes afhængige; dvs.de termodynamiske egenskaber, såsom enthalpi og temperatur, af et stof er afhængige af den molekylære adfærd af stoffet.
faseovergange ledsages af ændringer i entalpi og entropi., I denne tutorial vil vi hovedsageligt beskæftige os med ændringer i entalpi. Den energiændring, der er involveret i at bryde eller danne intermolekylære attraktioner, leveres primært eller frigives i form af varme. Tilføjelse af varme forårsager, at intermolekylære attraktioner brydes. Hvordan sker dette? Varme er en overførsel af energi til molekyler, hvilket får molekylerne til at øge deres bevægelse som beskrevet af den kinetiske teori om gasser og derved svække de intermolekylære kræfter, der holder molekylerne på plads., Ligeledes, når molekyler mister varme, styrkes intermolekylære attraktioner; når varmen går tabt, bevæger molekylerne sig langsommere og kan derfor interagere mere med andre nærliggende molekyler.
da faseændringer generelt forekommer ved konstant tryk ( dvs.i en reaktionsbeholder, der er åben for atmosfæren), kan varmen beskrives ved en ændring i enthalpi (hh =pp). For faseovergange, der involverer brud på intermolekylære attraktioner, tilsættes varme, OGHH er positiv, systemet går fra en lavere-enthalpi-fase til en højere-enthalpi-fase (en endoterm proces)., Derfor er fusion, fordampning og sublimering alle endoterme faseovergange. Ved faseovergange, der involverer dannelse af intermolekylære attraktioner, frigøres varme, og ΔH er negativ, fordi systemet går fra en højere enthalpi-fase til en lavere enthalpi-fase (en eksoterm proces). Derfor er frysning, kondens og deposition alle eksoterme faseovergange. Entalpiændringen for hver af faseovergangsprocesserne i figur 4 er vist i tabel 1 ovenfor.,
entalpiændringen af faseovergange kan også bruges til at forklare forskelle i smeltepunkter og kogepunkter for stoffer. På et givet tryk, et stof, der har en karakteristisk vifte af temperaturer på, hvor det gennemgår fase-overgange, for eksempel, smeltepunkt er den temperatur, ved hvilken et stof, der ændrer sig fra fast fase til flydende fase og kogepunkt er den temperatur, ved hvilken et stof, der skifter fra flydende fase til gasfase., Generelt, jo større entalpieændringen for en faseovergang er, jo højere er temperaturen, ved hvilken stoffet gennemgår faseovergangen. For eksempel, væsker med stærke intermolekylære attraktioner kræver mere varme til at fordampe end væsker med svage intermolekylære attraktioner; derfor, kogepunkt (fordampning punkt) for disse væsker vil være højere end for de væsker med svage intermolekylære attraktioner.
køling
nu skal vi bruge vores forståelse af varmemotorer og faseovergange til at forklare, hvordan køleskabe fungerer., Entalpi-ændringerne i forbindelse med faseovergange kan anvendes af en varmemotor (Figur 1) til at udføre arbejde og overføre varme mellem stoffet, der gennemgår en faseovergang, og dets omgivende miljø. I en varmemotor absorberer et” arbejdsstof ” varme ved en høj temperatur og omdanner en del af denne varme til arbejde. I en sekundær proces frigives resten af varmen til omgivelserne ved en lavere temperatur, fordi varmemotoren ikke er 100% effektiv.
som vist i figur 2 kan et køleskab betragtes som en varmemotor i bakgear., Køleeffekten i et køleskab opnås ved en cyklus af kondens og fordampning af kølevæsken, som sædvanligvis er den ugiftige forbindelse CCl2F2 (Freon-12). Et køleskab indeholder en elektrisk drevet kompressor, der virker på Freongas. Spoler uden for køleskabet tillader Freon at frigive varme, når det kondenserer, og spoler inde i køleskabet tillader Freon at absorbere varme, når det fordamper. Figur 5 viser faseovergange af Freon og deres tilhørende varmevekslingshændelser, der opstår under kølecyklussen.,
 |
|
 |
Klik på den pink-knappen for at få vist en QuickTime-film, der viser en animation af kølekredsløbet. |
|
|
den ovenfor beskrevne cyklus kører ikke kontinuerligt, men styres snarere af en termostat., Når temperaturen inde i køleskabet stiger over den indstillede temperatur, starter termostaten kompressoren. Når køleskabet er afkølet under den indstillede temperatur, slukkes kompressoren. Denne kontrolmekanisme gør det muligt for køleskabet at spare elektricitet ved kun at køre så meget som nødvendigt for at holde køleskabet ved den ønskede temperatur.
resum refriger
køleskabe er i det væsentlige varmemotorer, der arbejder omvendt. Mens en varmemotor konverterer varme til arbejde, konverterer omvendt varmemotorer arbejde til varme., I køleskabet overføres den varme, der genereres, til ydersiden af køleskabet. For at afkøle køleskabet kræves et “arbejdsstof” eller “kølevæske”, såsom Freon. Køleskabet virker ved at bruge en cyklus af kompression og ekspansion på Freon. Arbejdet udføres på freonen af en kompressor, og freonen frigiver varme til luften uden for køleskabet (da det gennemgår den eksoterme kondensation fra en gas til en væske)., For at regenerere den gasformige Freon til kompression passerer freonen gennem en indre spole, hvor den gennemgår den endoterme fordampning fra væskefasen til gasfasen. Denne endotermiske proces får freonen til at absorbere varme fra luften inde i køleskabet og afkøle køleskabet.
yderligere Links:
- For mere forklaring om, hvordan køleskabe fungerer, se dette siteebsted fra “hvordan ting fungerer” af Marshall Brian.
brun, Lemay og Bursten. Kemi: den centrale videnskab, 7.udg., side 395-98.
Petrucci og har andood., General Chemistry, 7.udg., side 435, 699-701, 714-15.
Anerkendelser:
forfatterne takker Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor og Carolyn Herman for mange nyttige forslag i udarbejdelsen af denne tutorial.
udvikling af denne tutorial blev støttet af en bevilling fra the Howard Hughes Medical Institute, gennem Bachelor-Biologiske Videnskaber Uddannelse, Tilskud HHMI# 71199-502008 til Washington University.