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cambios de fase y Refrigeración: |
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autores: Rachel revisado por: A. Manglik, C. Markham, K. Mao, y R. Frey |
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- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g., Fases de la materia
- sólido
- líquido
- Gas
- transiciones de fase
- fusión/congelación
- vaporización/condensación
- sublimación/deposición
- ruptura o formación de atracciones intermoleculares en transiciones de fase
- cambio en la entalpía (ΔH) de transiciones de fase
- Ciclo de refrigeración
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Introducción: Motores Térmicos y Refrigeración
la refrigeración ha permitido grandes avances en nuestra capacidad de almacenar alimentos y otras sustancias de forma segura durante largos períodos de tiempo. La misma tecnología utilizada para hacer funcionar los refrigeradores también se utiliza en los acondicionadores de aire. ¿Cómo funciona esta tecnología para producir aire frío cuando las condiciones externas son calientes?, Como veremos, los refrigeradores (y los acondicionadores de aire) se basan en la aplicación termodinámica conocida como el motor térmico, así como en las propiedades moleculares de la sustancia contenida en las bobinas del refrigerador.
una de las aplicaciones prácticas más importantes de los principios de la termodinámica es el motor térmico (Figura 1). En el motor térmico, el calor se absorbe de una «sustancia de trabajo» a alta temperatura y se convierte parcialmente en trabajo. Los motores térmicos nunca son 100% eficientes, porque el calor restante (I. e.,, el calor no se convierte en trabajo) se libera a los alrededores, que están a una temperatura más baja. Las máquinas de vapor utilizadas para alimentar los primeros trenes y generadores eléctricos son máquinas de calor en las que el agua es la sustancia de trabajo. En un motor de calor inverso (Figura 2), se produce el efecto contrario. El trabajo se convierte en calor, que se libera.
Figura 1
en un motor térmico, una entrada de calor causa un aumento en la temperatura de la sustancia de trabajo, lo que permite que la sustancia de trabajo realice el trabajo., En este diagrama esquemático, la sustancia de trabajo es el agua. A alta temperatura, el agua gaseosa (vapor) empuja un pistón, lo que hace que una rueda gire. Este es el mecanismo esencial mediante el cual operan los trenes de vapor.
Figura 2
en un motor de calor inverso, una entrada de trabajo se convierte en una salida de calor. En este caso, el trabajo (generado por electricidad) condensa el agua gaseosa (vapor) y la empuja en una bobina de intercambio de calor., En la bobina, la temperatura del agua disminuye a medida que se licua, liberando calor al medio ambiente.
en 1851, el médico de Florida John Gorrie recibió la primera patente estadounidense para una máquina de refrigeración, que utiliza un motor de calor inverso (Figura 2) como primer paso en su operación. Gorrie, convencido de que la cura para la malaria era fría porque los brotes se terminaban en el invierno, buscó desarrollar una máquina que pudiera hacer hielo y enfriar la habitación de un paciente en el caluroso verano de Florida. En El Dr., El refrigerador de Gorrie, el aire se comprimía usando una bomba, lo que causaba que la temperatura del aire aumentara (intercambiando trabajo por calor). Correr este aire comprimido a través de tuberías en un baño de agua fría liberó el calor en el agua. Luego se permitió que el aire se expandiera nuevamente a la presión atmosférica, pero debido a que había perdido calor en el agua, la temperatura del aire era más baja que antes y podía usarse para enfriar la habitación.
Los refrigeradores modernos funcionan con el mismo principio de motor de calor inverso de convertir el trabajo en calor, pero usan sustancias distintas del aire., La sustancia de trabajo en un refrigerador moderno se llama refrigerante; el refrigerante cambia de gas a líquido a medida que pasa de temperatura más alta a más baja. Este cambio de gas a líquido es una transición de fase, y la energía liberada en esta transición depende principalmente de las interacciones intermoleculares de la sustancia.Por lo tanto, para comprender el ciclo de refrigeración utilizado en los refrigeradores modernos, es necesario discutir primero las transiciones de fase.
fases y transiciones de fase
La materia existe principalmente en tres fases diferentes (estados físicos): sólida, líquida y gaseosa., Una fase es una forma de materia que es uniforme en composición química y propiedades físicas. Como se muestra en la Figura 3, una sustancia en la fase sólida tiene una forma y un volumen definidos; una sustancia en la fase líquida no tiene una forma definida, pero tiene un volumen definido; una sustancia en la fase gaseosa no tiene una forma o un volumen definidos, pero tiene una forma y un volumen determinados por la forma y el tamaño del recipiente.,
Figura 3
Este diagrama esquemático muestra las diferencias en las propiedades físicas y partículas acuerdo entre una sustancia en estado sólido, líquido, gas y fases. En un sólido, las partículas se empaquetan en una configuración rígida, dando a la sustancia una forma y un tamaño definidos. En un líquido, las partículas están muy juntas pero pueden moverse entre sí, dando a la sustancia un volumen definido pero una forma fluida., En un gas, las partículas pueden ocupar todo el volumen del contenedor, por lo que su forma y volumen están definidos por el contenedor.
vista Molecular (microscópica)
Una de las principales diferencias en las tres fases ilustradas en la Figura 3 es el número de interacciones intermoleculares que contienen. Las partículas en un sólido interactúan con todos sus vecinos más cercanos, las partículas en un líquido interactúan solo con algunas de las partículas cercanas, y las partículas en un gas casi no tienen interacción entre sí., Al romper o formar interacciones intermoleculares, una sustancia puede cambiar de una fase a otra. Por ejemplo, las moléculas de gas se condensan para formar líquidos debido a la presencia de fuerzas intermoleculares atractivas. Cuanto más fuertes sean las fuerzas de atracción, mayor será la estabilidad del líquido (lo que conduce a una temperatura de punto de ebullición más alta). Un cambio en el estado físico de la materia se denomina transición de fase. Los nombres de las transiciones de fase entre sólido, líquido y gas se muestran en la Figura 4.,
Las transiciones de fase son similares a las reacciones químicas, ya que cada una tiene un cambio de entalpía asociado. Mientras que una reacción química implica la ruptura y formación de enlaces dentro de las moléculas, las transiciones de fase implican la ruptura o formación de fuerzas atractivas intermoleculares. Las transiciones de fase que implican la ruptura de atracciones intermoleculares (como la fusión, la vaporización y la sublimación) requieren una entrada de energía para superar las fuerzas de atracción entre las partículas de la sustancia., Las transiciones de fase que involucran la formación de atracciones intermoleculares (como congelación, condensación y deposición) liberan energía a medida que las partículas adoptan una conformación de menor energía. La fuerza de las atracciones intermoleculares entre moléculas, y por lo tanto la cantidad de energía requerida para superar estas fuerzas de atracción (así como la cantidad de energía liberada cuando se forman las atracciones) depende de las propiedades moleculares de la sustancia. Generalmente, cuanto más polar es una molécula, más fuertes son las fuerzas de atracción entre las moléculas., Por lo tanto, las moléculas más polares típicamente requieren más energía para superar las atracciones intermoleculares, y liberan más energía al formar atracciones intermoleculares.,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., La flecha a la derecha del diagrama demuestra que estas tres fases tienen entalpías diferentes: el gas tiene la entalpía más alta, el líquido tiene una entalpía intermedia y el sólido tiene la entalpía más baja.
Tabla 1
esta tabla muestra el signo del cambio de entalpía para cada una de las transiciones de fase descritas anteriormente. Recordemos que los procesos endotérmicos tienen un cambio de entalpía positivo, y los procesos exotérmicos tienen un cambio de entalpía negativo.,
Vista Termodinámica (macroscópica)
Además de la vista microscópica presentada anteriormente, podemos describir las transiciones de fase en términos de propiedades termodinámicas macroscópicas. Es importante tener en cuenta que las vistas microscópicas y macroscópicas son interdependientes; es decir, las propiedades termodinámicas, como la entalpía y la temperatura, de una sustancia dependen del comportamiento molecular de la sustancia.
Las transiciones de fase están acompañadas de cambios en la entalpía y la entropía., En este tutorial, nos ocuparemos principalmente de los cambios en la entalpía. El cambio de energía involucrado en la ruptura o formación de atracciones intermoleculares se suministra o libera principalmente en forma de calor. Agregar calor hace que las atracciones intermoleculares se rompan. ¿Cómo ocurre esto? El calor es una transferencia de energía a las moléculas, haciendo que las moléculas aumenten su movimiento como se describe en la teoría cinética de los gases y, por lo tanto, debilitando las fuerzas intermoleculares que mantienen a las moléculas en su lugar., Del mismo modo, cuando las moléculas pierden calor, las atracciones intermoleculares se fortalecen; a medida que se pierde calor, las moléculas se mueven más lentamente y, por lo tanto, pueden interactuar más con otras moléculas cercanas.
debido a que los cambios de fase generalmente ocurren a presión constante (es decir, en un recipiente de reacción abierto a la atmósfera), el calor se puede describir por un cambio en la entalpía (ΔH=qp). Para las transiciones de fase que implican la ruptura de atracciones intermoleculares, se agrega calor y ΔH es positivo, el sistema va de una fase de entalpía inferior a una fase de entalpía superior (un proceso endotérmico)., Por lo tanto, la fusión, la vaporización y la sublimación son todas transiciones de fase endotérmicas. Para las transiciones de fase que involucran la formación de atracciones intermoleculares, se libera calor y ΔH es negativa, porque el sistema va de una fase de entalpía superior a una fase de entalpía inferior (un proceso exotérmico). Por lo tanto, la congelación, la condensación y la deposición son todas transiciones de fase exotérmicas. El cambio de entalpía para cada uno de los procesos de transición de fase en la Figura 4 se muestra en la tabla 1 anterior.,
el cambio de entalpía de las transiciones de fase también se puede utilizar para explicar las diferencias en los puntos de fusión y los puntos de ebullición de las sustancias. A una presión dada, una sustancia tiene un rango característico de temperaturas a las que experimenta transiciones de fase; por ejemplo, el punto de fusión es la temperatura a la que una sustancia cambia de fase sólida a fase líquida y el punto de ebullición es la temperatura a la que una sustancia cambia de fase líquida a fase gaseosa., En general, cuanto mayor es el cambio de entalpía para una transición de fase, mayor es la temperatura a la que la sustancia experimenta la transición de fase. Por ejemplo, los líquidos con atracciones intermoleculares fuertes requieren más calor para vaporizarse que los líquidos con atracciones intermoleculares débiles; por lo tanto, el punto de ebullición (punto de vaporización) para estos líquidos será mayor que para los líquidos con atracciones intermoleculares más débiles.
Refrigeration
ahora, usaremos nuestra comprensión de los motores térmicos y las transiciones de fase para explicar cómo funcionan los refrigeradores., Los cambios de entalpía asociados con las transiciones de fase pueden ser utilizados por un motor térmico (Figura 1) para hacer el trabajo y transferir calor entre la sustancia sometida a una transición de fase y su entorno circundante. En un motor térmico, una «sustancia de trabajo» absorbe el calor a una temperatura alta y convierte parte de este calor en trabajo. En un proceso secundario, el resto del calor se libera al entorno a una temperatura más baja, porque el motor térmico no es 100% eficiente.
como se muestra en la Figura 2, un refrigerador puede considerarse como un motor de calor en sentido inverso., El efecto de enfriamiento en un refrigerador se logra mediante un ciclo de condensación y vaporización del refrigerante, que generalmente es el compuesto no tóxico CCl2F2 (Freón-12). Un refrigerador contiene un compresor eléctrico que funciona con gas freón. Las bobinas fuera del refrigerador permiten que el freón libere calor cuando se condensa, y las bobinas dentro del refrigerador permiten que el freón absorba calor mientras se vaporiza. La figura 5 muestra las transiciones de fase del freón y sus eventos asociados de intercambio de calor que ocurren durante el ciclo de refrigeración.,
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haga Clic en el botón de rosa para ver una película de QuickTime que muestra una animación del ciclo de refrigeración. |
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el ciclo descrito anteriormente no se ejecuta de forma continua, sino que se controla mediante un termostato., Cuando la temperatura dentro del refrigerador se eleva por encima de la temperatura establecida, el termostato inicia el compresor. Una vez que el refrigerador se ha enfriado por debajo de la temperatura establecida, el compresor se apaga. Este mecanismo de control permite que el refrigerador conserve electricidad solo funcionando tanto como sea necesario para mantener el refrigerador a la temperatura deseada.
resumen
Los refrigeradores son esencialmente motores térmicos que funcionan a la inversa. Mientras que un motor térmico convierte el calor en trabajo, los motores térmicos inversos convierten el trabajo en calor., En el refrigerador, el calor que se genera se transfiere al exterior del refrigerador. Para enfriar el refrigerador, se requiere una «sustancia de trabajo» o «refrigerante», como el freón. El refrigerador funciona mediante el uso de un ciclo de compresión y expansión en el freón. El trabajo se realiza en el freón por un compresor, y el freón libera calor al aire fuera del refrigerador (a medida que experimenta la condensación exotérmica de un gas a un líquido)., Para regenerar el freón gaseoso para la compresión, el freón pasa a través de una bobina interna, donde se somete a la vaporización endotérmica de la fase líquida a la fase gaseosa. Este proceso endotérmico hace que el freón absorba el calor del aire dentro del refrigerador, enfriando el refrigerador.
enlaces adicionales:
- Para obtener más explicaciones sobre cómo funcionan los refrigeradores, consulte este sitio de «How Stuff Works», de Marshall Brian.
Brown, Lemay, y Bursten. Chemistry: The Central Science, 7th ed., P. 395-98.
Petrucci y Harwood., General Chemistry, 7th ed., P. 435, 699-701, 714-15.
agradecimientos:
los autores agradecen a Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor y Carolyn Herman por muchas sugerencias útiles en la escritura de este tutorial.
el desarrollo de este tutorial fue apoyado por una beca del Howard Hughes Medical Institute, a través del Programa de Educación en Ciencias Biológicas de pregrado, beca HHMI# 71199-502008 a la Universidad de Washington.