|
olomuodon Muutokset ja Jäähdytys: |
||
 |
Kirjoittajat: Rachel Casiday ja Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Jääkaapit)
- Vaiheiden Väliä
- Kiinteä
- Nestemäisiä
- Kaasu
- Vaihe Siirtymiä
- Fuusio – / Jäätymispiste
- Höyrystyminen/ Tiivistyminen
- Sublimaatio/ Laskeuma
- Breaking tai muodostumista molekyylien välisten Nähtävyyksiä Vaihe Siirtymiä
- Muutos Entalpia (ΔH) Vaiheen Siirtymät
- kylmäprosessissa
aiheeseen Liittyvät Oppaat
- Bändit, Joukkovelkakirjat, ja Doping: Miten Led Toimii?,
- Kaasu Lait Pelastaa Ihmishenkiä: Kemia Takana, turvatyynyt
Johdanto: Lämmön Moottorit ja Jäähdytys
Jäähdytys on sallittu suuri ennakot meidän kyky varastoida ruokaa ja muita aineita turvallisesti pitkiä aikoja. Samaa tekniikkaa käytetään jääkaappien pyörittämiseen myös ilmastointilaitteissa. Miten tämä tekniikka toimii tuottamaan viileää ilmaa, kun ulkoiset olosuhteet ovat kuumat?, Kuten näemme, jääkaappi (ja ilmastointilaitteet) luottaa termodynaaminen sovellus tunnetaan lämpöä moottori, sekä molekyyli-ominaisuudet aineen sisältämät kelat jääkaapin.
yksi termodynamiikan periaatteiden tärkeimmistä käytännön sovelluksista on lämpömoottori (Kuva 1). Lämpöä moottori, lämpö imeytyy ”toimiva aine” korkeassa lämpötilassa ja osittain muunnetaan työtä. Kuumamoottorit eivät ole koskaan 100% tehokkaita, koska jäljellä oleva lämpö (ts., lämpö ei ole muunnettu toimimaan) vapautuu ympäristöön, jotka ovat alemmassa lämpötilassa. Varhaisjunien ja sähkögeneraattorien voimanlähteenä käytetyt höyrykoneet ovat lämpökoneita, joissa vesi on käyttöaineena. Käänteislämpömoottorissa (kuva 2) tapahtuu päinvastainen vaikutus. Työ muuttuu lämmöksi, joka vapautuu.
Kuva 1
lämpöä moottori, tulo lämpö aiheuttaa lisää lämpötila toimimasta ainetta, jolloin työskentely aine tekemään työtä., Tässä kaavamaisessa kaaviossa käyttöaine on vesi. Korkeassa lämpötilassa kaasumainen vesi (höyry) työntää mäntää, mikä saa pyörän kääntymään. Tämä on olennainen mekanismi, jolla höyrykäyttöiset junat toimivat.
Luku 2
käänteinen lämpöä moottori, työn tulo muunnetaan lämmöntuotto. Tällöin työ (sähkön tuottama) kondensoi kaasumaista vettä (höyryä) ja työntää sen lämmönvaihtokelaan., Kelassa veden lämpötila laskee sen nesteytyessä vapauttaen lämpöä ympäristöön.
Vuonna 1851, Florida lääkäri John Gorrie myönnettiin ensimmäinen YHDYSVALTAIN Patentti jäähdytys kone, joka käyttää käänteinen lämpöä moottorin (Kuva 2), koska ensimmäinen askel sen toiminnan. Gorrie, vakuuttunut siitä, että hoito malariaan oli kylmä, koska taudinpurkaukset lopetettiin talvella, pyrki kehittämään koneen, joka voisi tehdä jäätä ja jäähdyttää potilaan huoneen kuuma Florida kesällä. Tri., Gorrie on jääkaappi, ilma oli pakattu käyttämällä pumppua, joka aiheutti lämpötilan nousu (vaihtaa työtä lämpö). Tämän paineilman juokseminen putkien läpi kylmässä vesihauteessa vapautti lämmön veteen. Tämän jälkeen ilman annettiin jälleen laajentua ilmanpaineeseen, mutta koska se oli menettänyt lämpöä veteen, ilman lämpötila oli aiempaa alhaisempi ja sitä voitiin käyttää huoneen jäähdyttämiseen.
Moderni jääkaapit toimivat samalla reverse-lämpö-moottorin periaate muuntaa työtä lämpöä, mutta käyttää muita aineita kuin ilmaa., Työ-aine moderni jääkaappi on nimeltään jäähdytysnesteen; jäähdytysneste muuttuu kaasusta nesteeksi niin se menee korkeampi alemman lämpötilan. Muutos kaasusta nesteeksi on faasisiirtymä, ja tämän siirtymän yhteydessä vapautuva energia riippuu pääasiassa aineen interaktioista.Siksi, ymmärtää jäähdytys sykli käytetään nykyaikaisissa jääkaapeissa, on tarpeen ensin keskustella vaihe siirtymiä.
Vaiheet ja Vaiheen Siirtymiä
Asiaa lähinnä olemassa kolme eri vaihetta (fyysisessä muodossa): kiinteä, neste ja kaasu., Vaihe on aineen muoto, joka on kemialliselta koostumukseltaan ja fysikaalisilta ominaisuuksiltaan yhtenäinen. Kuten Kuvassa 3, aine, kiinteä vaihe on selvä muoto ja tilavuus; aine, neste-faasi, ei ole muotonsa, mutta on selvä tilavuus; aine, kaasu-vaiheessa ei ole varmaa, muoto tai tilavuus, mutta on muoto ja tilavuus määräytyy sen muoto ja koko säiliön.,
Kuvio 3
Tämä kaaviokuva osoittaa erot fyysisissä ominaisuuksissa ja hiukkasten välinen järjestely aine, kiinteä, neste ja kaasu vaiheissa. Kiinteässä aineessa hiukkaset pakataan jäykkään muotoon, jolloin aine on muodoltaan ja kooltaan selvä. Nesteessä hiukkaset ovat lähellä toisiaan, mutta voivat liikkua suhteessa toisiinsa, jolloin aine selvä tilavuus, mutta neste muoto., Kaasu, hiukkaset voivat miehittää koko tilavuus säiliön, niin että niiden muoto ja tilavuus ovat molemmat määritelty astiaan.
Molekyyli (Mikroskooppinen) Näkemys
Yksi suurimmista eroista kolme vaihetta havainnollistetaan Kuvassa 3 on määrä intermolecular interactions ne sisältävät. Hiukkaset kiinteässä vuorovaikutuksessa kaikkien niiden naapurit, hiukkasten nestettä vuorovaikutuksessa vain joitakin lähistöllä hiukkasia ja hiukkaset kaasu on lähes ole vuorovaikutusta keskenään., Katkeamalla tai muodostamalla interaktioita aine voi muuttua vaiheesta toiseen. Esimerkiksi kaasumolekyylit tiivistyvät muodostaen nesteitä, koska niissä on houkuttelevia intermolekulaarisia voimia. Mitä vahvemmat houkuttelevat voimat, sitä suurempi nesteen stabiilisuus (mikä johtaa korkeampaan kiehumispisteen lämpötilaan). Aineen fysikaalisen tilan muutosta kutsutaan vaihesiirtymäksi. Kiinteiden, nestemäisten ja kaasujen välisten faasitransitioiden nimet esitetään kuvassa 4.,
Faasitransitiot ovat samankaltaisia kuin kemialliset reaktiot, koska niillä kullakin on siihen liittyvä entalpian muutos. Kun kemiallinen reaktio liittyy rikkomatta ja muodostaa joukkovelkakirjojen sisällä molekyylejä, vaihe siirtymiä liittyy rikkomatta tai muodostaa molekyylien välisten houkuttelevia voimia. Vaihe siirtymiä, joihin liittyy breaking intermolekulaaristen nähtävyyksiä ( kuten fuusio, höyrystyminen ja sublimoituminen) edellyttävät input energiaa voittaa houkuttelevia voimia välillä hiukkasia aineen., Faasitransitiot, joihin liittyy intermolekulaaristen nähtävyyksien ( kuten jäätymisen, tiivistymisen ja laskeuman) muodostumista, vapauttavat energiaa, kun hiukkaset omaksuvat matalaenergisen konformaation. Vahvuus intermolecular nähtävyyksiä molekyylien välillä, ja näin ollen tarvittavan energian määrä voittaa nämä houkuttelevia voimia (sekä määrä energiaa vapautuu, kun nähtävyydet ovat muodostettu) riippuu molekyylien ominaisuuksia aineen. Yleensä mitä enemmän polaarinen a-molekyyli on, sitä voimakkaampia molekyylien väliset vetovoimat ovat., Näin ollen, enemmän polar molekyylejä vaativat yleensä enemmän energiaa voittaa intermolecular nähtävyyksiä, ja vapauttaa enemmän energiaa muodostamalla intermolecular nähtävyyksiä.,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., Nuoli oikealle kaavio osoittaa, että nämä kolme vaihetta ovat eri enthalpies: kaasu on korkein entalpia, nestettä on väli-entalpia, ja kiinteä on pienin entalpia.
Taulukko 1
Tässä taulukossa näkyy merkki entalpia muutos kunkin vaiheen siirtymiä on kuvattu edellä. Muista, että endoterminen prosesseja on positiivinen entalpia muutos, ja eksoterminen prosesseja on negatiivinen entalpia muutos.,
Termodynaaminen (Makroskooppinen) Näkemys
lisäksi mikroskooppinen näkymä on esitetty edellä, voimme kuvata vaihe siirtymiä kannalta makroskooppinen, termodynaamiset ominaisuudet. On tärkeää pitää mielessä, että mikroskooppinen ja makroskooppinen näkemykset ovat toisistaan riippuvaisia, eli termodynaamiset ominaisuudet, kuten entalpia ja lämpötila, aineen on riippuvainen molekyylien käyttäytymistä aine.
faasitransitioihin liittyy entalpian ja entropian muutoksia., Tässä opetusohjelma, olemme huolissamme lähinnä muutoksia entalpy. Energia muuttaa mukana rikkomatta tai muodostavien molekyylien välisten nähtävyyksiä on ensisijaisesti toimitetaan tai luovutetaan lämpönä. Lämmön lisääminen aiheuttaa intermolekulaaristen nähtävyyksien rikkoutumisen. Miten tämä tapahtuu? Lämpö on siirtää energiaa molekyylien, aiheuttaa molekyylien lisäämään liikettä kuvataan, kineettinen teoria kaasuja ja siten heikentää molekyylien välisten voimien tilalla molekyylien paikka., Samoin kun molekyylit menettävät lämpöä, intermolekulaariset nähtävyydet vahvistuvat; kun lämpö häviää, molekyylit liikkuvat hitaammin ja voivat siksi olla vuorovaikutuksessa enemmän muiden lähimolekyylien kanssa.
Koska vaiheen muutokset yleensä tapahtuvat vakiopaineessa ( eli reaktio aluksen avoin ilmapiiri), lämpö voidaan kuvata muutos entalpia (ΔH=qp). Vaihe siirtymiä, joihin liittyy breaking intermolekulaaristen nähtävyyksiä, lämpöä lisätään ja ΔH on positiivinen, järjestelmä on menossa alemman entalpia vaihe korkeammalle-entalpia-vaihe (endotermisen prosessi)., Fuusio, höyrystyminen ja sublimaatio ovat siis kaikki endotermisiä faasitransitioita. Vaihe siirtymiä, joihin liittyy muodostumista molekyylien välisten nähtävyyksiä, lämpöä vapautuu ja ΔH on negatiivinen, koska järjestelmä on menossa alkaen korkeampi-entalpia vaihe pienempi-entalpia-vaihe (eksoterminen prosessi). Jäätyminen, tiivistyminen ja kerrostuminen ovat siis kaikki eksotermisia faasitransitioita. Kunkin Kuvassa 4 olevan vaihemuutosprosessin entalpy-muutos esitetään taulukossa 1.,
entalpia muutos vaihe siirtymiä voidaan käyttää myös selittää eroja sulamispisteet ja kiehumispisteet aineita. Tietyllä paine -, aine on ominaista erilaisia lämpötiloja, joissa se käy läpi faasimuutoksia, esimerkiksi sulamispiste on lämpötila, jossa aine muuttuu kiinteästä vaihe nestemäisenä ja kiehumispiste on lämpötila, jossa aine muuttuu nestemäisestä vaihe kaasufaasissa., Yleisesti, suurempi entalpia muutos faasimuutos, korkeampi lämpötila, jossa aine hajoaa faasimuutos. Esimerkiksi nesteitä, joilla on vahva molekyylien välisten nähtävyyksiä vaativat enemmän lämpöä höyrystää kuin nesteitä, joilla on heikko molekyylien välisten nähtävyyksiä; siksi kiehumispiste (haihtuminen-piste) nämä nesteet on suurempi kuin nesteitä, joilla on heikommat molekyylien välisten nähtävyyksiä.
Jäähdytys
Nyt, meidän on käytettävä meidän käsitys lämmön moottorit ja vaihe siirtymiä selittää, miten jääkaapit työtä., Entalpia muutoksia, jotka liittyvät vaiheen siirtymiä voidaan käyttää lämpöä moottorin (Kuva 1) tehdä työtä ja siirtää lämpöä välillä ainetta, joka osallistuu vaiheeseen siirtyminen ja sen ympäristöön. Lämpöä moottori, ”toimiva aine” imee lämpöä korkeassa lämpötilassa ja muuntaa osa tätä lämpöä töihin. Toissijainen prosessi, loput lämpöä vapautuu ympäristöön alemmassa lämpötilassa, koska lämpö moottori ei ole 100% tehokas.
kuten kuvassa 2 on esitetty, jääkaappia voidaan pitää käänteislämpömoottorina., Viilentävä vaikutus jääkaapissa saavutetaan ajan tiivistyminen ja höyrystyminen jäähdytysnestettä, joka yleensä on myrkytön yhdiste CCl2F2 (Freon-12). Jääkaappi sisältää sähkökäyttöisen kompressorin, joka toimii Freonikaasulla. Kelat jääkaapin ulkopuolella salli Freonia vapauttaa lämpöä, kun se tiivistyy, ja kelat jääkaapin sisällä salli Freonia imeä lämpöä kuin se haihtuu. Kuvassa 5 esitetään Freonin vaihesiirtymät ja niihin liittyvät lämmönvaihtotapahtumat, jotka tapahtuvat jäähdytysjakson aikana.,
 |
|
 |
Klikkaa vaaleanpunainen painiketta, jos haluat katsella QuickTime-elokuva osoittaa animaation jäähdytys sykli. |
|
|
sykli on kuvattu edellä, ei toimi jatkuvasti, vaan ohjaa termostaatti., Kun jääkaapin sisälämpötila nousee asetetun lämpötilan yläpuolelle, termostaatti käynnistää kompressorin. Kun jääkaappi on jäähdytetty alle asetetun lämpötilan, kompressori sammutetaan. Tämä valvonta mekanismi mahdollistaa jääkaappi säästää sähköä on käynnissä vain niin paljon kuin on tarpeen pitää jääkaapissa haluttuun lämpötilaan.
Tiivistelmä
Jääkaapit ovat pääasiallisesti lämmön moottorit kääntää. Ottaa huomioon, että lämpöä moottori muuntaa lämpöä töihin, kääntää lämmön moottorit muuntaa työtä lämpöä., Jääkaapissa syntyvä lämpö siirtyy jääkaapin ulkopuolelle. Jääkaapin jäähdyttämiseksi tarvitaan” työainetta ”eli” jäähdytysnestettä”, kuten freonia. Jääkaappi toimii käyttämällä syklin puristus ja laajennus Freon. Työtä on tehty Freonia, jonka kompressori, ja Freonia vapauttaa lämmön ilmaan ulkopuolella jääkaappi (kun se käy läpi eksoterminen kosteuden tiivistymisen kaasu, neste)., Uudistua kaasumaisten Freonia puristus, Freonia kulkee sisäinen patteri, jossa se käy läpi endoterminen höyrystyminen nesteestä vaihe kaasufaasissa. Tämä endoterminen prosessi saa Freonin absorboimaan lämpöä jääkaapin sisällä olevasta ilmasta jäähdyttäen jääkaappia.
Lisää Linkkejä:
- enemmän selitystä siitä, miten jääkaapit työtä, ks. tämän sivuston ”Miten asiat Toimii”, by Brian Marshall.
Brown, Lemay, ja Bursten. Kemia: Central Science, 7. ed., s.395-98.
Petrucci ja Harwood., Yleinen kemia, 7. ed., S.435, 699-701, 714-15.
Kiitokset:
kirjoittajat kiittää Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor ja Carolyn Herman monia hyödyllisiä ehdotuksia kirjallisesti tämän opetusohjelman.
kehittäminen tämä opetusohjelma tukivat avustusta Howard Hughes Medical Institute, läpi yliopiston biotieteiden koulutusohjelma, Myöntää HHMI# 71199-502008 Washington University.