|
Fázis Változások, Hűtés: |
||
 |
Szerzők: Rachel Casiday, Regina pedig Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Hűtőszekrények)
- Fázisai Számít
- Szilárd
- Folyékony
- Gáz
- Fázis Átmenetek
- Fusion/ Fagyasztás
- Párologtatás/ Kondenzációs
- Szublimációs/ Lerakódás
- Törés vagy Kialakulását Intermolecular Látnivalók Fázis Átmenetek
- Változás Entalpia (ΔH) Fázis Átmenetek
- Hűtési Ciklus
Kapcsolódó Oktatóanyagok
- Zenekarok, Kötvények, illetve Dopping: Hogyan Led Munka?,
- a Gáztörvények életeket mentenek: a légzsákok mögötti kémia
Bevezetés: hőmotorok és hűtés
a hűtés nagy előrelépést tett lehetővé abban, hogy hosszú ideig biztonságosan tároljuk az élelmiszereket és más anyagokat. Ugyanezt a technológiát használják a hűtőszekrények futtatásához a légkondicionálókban is. Hogyan működik ez a technológia hideg levegő előállítására, ha a külső körülmények forróak?, Mint látni fogjuk, a hűtőszekrények (és klímaberendezések) a hőmotor néven ismert termodinamikai alkalmazásra, valamint a hűtőszekrény tekercseiben található anyag molekuláris tulajdonságaira támaszkodnak.
a termodinamika alapelveinek egyik legfontosabb gyakorlati alkalmazása a hőmotor (1.ábra). A hőmotorban a hő egy “működő anyagból” szívódik fel magas hőmérsékleten, részben munkává alakul. A hőmotorok soha nem 100% – ban hatékonyak, mert a fennmaradó hő (azaz,, a hő nem alakul át munkára) felszabadul a környezetbe, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten vannak. A korai vonatok és elektromos generátorok táplálására használt gőzgépek olyan hőmotorok, amelyekben a víz a munkaanyag. Fordított hőmotorban (2.ábra) az ellenkező hatás lép fel. A munka hővé alakul, amely felszabadul.
1.ábra
hőmotorban a hőbevitel növeli a munkaanyag hőmérsékletét, lehetővé téve a munkaanyag számára a munka elvégzését., Ebben a sematikus diagramban a munkaanyag víz. Magas hőmérsékleten a gáz halmazállapotú víz (gőz) egy dugattyút tol, ami a kerék elfordulását okozza. Ez az alapvető mechanizmus, amellyel gőzüzemű vonatok működnek.
2.ábra
fordított hőmotorban a munka bemenet hőteljesítményre alakul át. Ebben az esetben a (villamos energia által generált) munka gáznemű vizet (gőzt) kondenzál, majd hőcserélő tekercsbe tolja., A tekercsben a víz hőmérséklete lecsökken, ahogy cseppfolyik, hőt bocsát ki a környezetbe.
1851-ben John Gorrie floridai orvos megkapta az első amerikai szabadalmat egy hűtőgéphez, amely fordított hőmotort (2.ábra) használ működésének első lépéseként. Gorrie, meggyőződve arról, hogy a malária gyógyítása azért volt hideg, mert a kitöréseket télen megszüntették, egy olyan gép kifejlesztésére törekedett, amely a forró floridai nyáron jéggé teheti és lehűtheti a páciens szobáját. Dr., Gorrie hűtőszekrényében a levegőt szivattyúval összenyomták, ami a levegő hőmérsékletének növekedését okozta (hőcsere). Ennek a sűrített levegőnek a hidegvízfürdőben lévő csöveken keresztül történő futtatása felszabadította a hőt a vízbe. A levegő ezután ismét légköri nyomásra tágulhatott, de mivel a víz hővesztesége miatt a levegő hőmérséklete alacsonyabb volt, mint korábban, így a helyiség hűtésére is használható volt.
a Modern hűtőszekrények ugyanazzal a fordított hő-motor elvvel működnek, hogy a munkát hővé alakítják, de a levegőtől eltérő anyagokat használnak., A modern hűtőszekrények munkaanyagát hűtőfolyadéknak nevezik; a hűtőfolyadék gázról folyadékra változik, mivel magasabb hőmérsékletről alacsonyabb hőmérsékletre megy. Ez a gázról folyadékra történő váltás fázisátmenet, és az ezen átmenet során felszabaduló energia elsősorban az anyag intermolekuláris kölcsönhatásaitól függ.Ezért a modern hűtőszekrényekben használt hűtési ciklus megértéséhez először meg kell vitatni a fázisátmeneteket.
fázisok és fázisátmenetek
Az anyag elsősorban három különböző fázisban (fizikai állapotokban) létezik: szilárd, folyékony és gáz., A fázis az anyag olyan formája, amely kémiai összetételben és fizikai tulajdonságokban egységes. Amint a 3. ábrán látható, a szilárd fázisban lévő anyagnak határozott alakja és térfogata van; a folyékony fázisban lévő anyagnak nincs határozott alakja, de határozott térfogata van; a gázfázisban lévő anyagnak nincs határozott alakja vagy térfogata, de alakja és térfogata a tartály alakja és mérete határozza meg.,
3.ábra
Ez a vázlatos ábra a szilárd, folyékony és gázfázisokban lévő anyag fizikai tulajdonságainak és részecske-elrendezésének különbségeit mutatja. Szilárd anyagban a részecskék merev formába vannak csomagolva, így az anyag határozott formát és méretet kap. Folyadékban a részecskék közel vannak egymáshoz, de egymáshoz képest mozoghatnak, így az anyag határozott térfogatú, de folyadék alakú., Gázban a részecskék elfoglalhatják a tartály teljes térfogatát, így alakjukat és térfogatukat a tartály határozza meg.
molekuláris (mikroszkopikus) nézet
a 3.ábrán bemutatott három fázis egyik fő különbsége az általuk tartalmazott intermolekuláris kölcsönhatások száma. A szilárd részecskék kölcsönhatásba lépnek a legközelebbi szomszédaikkal, a folyadékban lévő részecskék csak a közeli részecskékkel kölcsönhatásba lépnek, a gáz részecskéi pedig szinte semmilyen kölcsönhatást nem mutatnak egymással., Az intermolekuláris kölcsönhatások megszakításával vagy kialakításával az anyag egyik fázisról a másikra változhat. Például a gázmolekulák kondenzálódnak folyadékok képződéséhez vonzó intermolekuláris erők jelenléte miatt. Minél erősebb a vonzó erők, annál nagyobb a folyadék stabilitása (ami magasabb forráspont-hőmérséklethez vezet). Az anyag fizikai állapotának változását fázisátmenetnek nevezik. A szilárd, folyékony és gáz közötti fázisátmenetek nevét a 4. ábra mutatja.,
A fázisátmenetek hasonlóak a kémiai reakciókhoz, mivel mindegyiknek társult entalpiás változása van. Míg egy kémiai reakció magában foglalja a törés alkotó kötvények belül molekulák, fázis átmenetek bevonni a törés vagy alkotó intermolecular vonzó erők. Az intermolekuláris jelenségek megtörésével járó fázisátmenetek (például fúzió, párologtatás, szublimáció) energiabevitelt igényelnek az anyag részecskéi közötti vonzó erők leküzdéséhez., Az intermolekuláris jelenségek ( például fagyasztás, kondenzáció és lerakódás) kialakulásával járó fázisátmenetek energiát bocsátanak ki, mivel a részecskék alacsonyabb energiájú konformációt alkalmaznak. A molekulák közötti intermolekuláris vonzerő ereje, ezért ezeknek a vonzó erőknek a leküzdéséhez szükséges energia mennyisége (valamint a látnivalók kialakításakor felszabaduló energia mennyisége) az anyag molekuláris tulajdonságaitól függ. Általában minél polárisabb egy molekula, annál erősebbek a molekulák közötti vonzó erők., Ezért több poláris molekula általában több energiát igényel az intermolekuláris látnivalók leküzdéséhez, és több energiát szabadít fel intermolekuláris látnivalók kialakításával.,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., A nyíl a diagram azt mutatja, hogy ez a három fázis különböző enthalpies: gáz van a legmagasabb entalpia, folyadék van egy köztes entalpia, valamint szilárd a legalacsonyabb entalpia.
1.táblázat
ez a táblázat a fent leírt fázisátmenetek mindegyikére vonatkozó entalpia változás jeleit mutatja. Emlékezzünk arra, hogy az endoterm folyamatok pozitív entalpiaváltással rendelkeznek, az exoterm folyamatok pedig negatív entalpiaváltással rendelkeznek.,
termodinamikai (makroszkopikus) nézet
a fent bemutatott mikroszkopikus nézet mellett a fázisátmeneteket makroszkopikus, termodinamikai tulajdonságok szempontjából is leírhatjuk. Fontos szem előtt tartani, hogy a mikroszkopikus és makroszkopikus nézetek egymástól függenek; azaz egy anyag termodinamikai tulajdonságai, mint például az entalpia és a hőmérséklet, az anyag molekuláris viselkedésétől függenek.
A Fázisátmeneteket az entalpia és az entrópia változásai kísérik., Ebben a bemutatóban elsősorban az entalpia változásaival foglalkozunk. Az intermolekuláris látványosságok megtörésében vagy kialakításában részt vevő energiaváltást elsősorban hő formájában szállítják vagy szabadítják fel. A hő hozzáadása miatt az intermolekuláris látnivalók megszakadnak. Hogyan történik ez? A hő az energia molekulákra történő átvitele, ami a molekulák mozgásának növelését eredményezi a gázok kinetikai elmélete szerint, ezáltal gyengítve a molekulákat a helyén tartó intermolekuláris erőket., Hasonlóképpen, amikor a molekulák elveszítik a hőt, az intermolekuláris látnivalók erősödnek; ahogy a hő elvész, a molekulák lassabban mozognak, ezért jobban kölcsönhatásba léphetnek más közeli molekulákkal.
mivel a fázisváltozások általában állandó nyomáson ( azaz a légkörbe nyitott reakcióedényben) fordulnak elő, a hőt az entalpia (ΔH=qp) változásával lehet leírni. A fázis átmenetek járó törés intermolecular látnivalók, hő egészül ki, valamint ΔH pozitív, a rendszer a kisebb-entalpia fázis magasabb-entalpia fázis (egy endoterm folyamat)., Ezért a fúzió, a párologtatás és a szublimáció mind endoterm fázisátmenetek. Az intermolekuláris attrakciók kialakulásával járó fázisátmeneteknél a hő felszabadul, a ΔH pedig negatív, mivel a rendszer egy magasabb entalpiás fázisból egy alacsonyabb entalpiás fázisba (exoterm folyamat) megy. Ezért a fagyasztás, a kondenzáció és a lerakódás mind exoterm fázisátmenetek. A 4. ábrán látható egyes fázisátmeneti folyamatok entalpia változását a fenti 1. táblázat mutatja.,
a fázisátmenetek entalpiás változása az anyagok olvadáspontjai és forráspontjai közötti különbségek magyarázatára is használható. Egy adott nyomáson az anyagnak jellemző hőmérsékleti tartománya van, amelyen fázisátmeneteken megy keresztül; például az olvadáspont az a hőmérséklet, amelyen az anyag szilárd fázisról folyékony fázisra változik, és a forráspont az a hőmérséklet, amelyen az anyag folyadékfázisról gázfázisra változik., Általánosságban elmondható, hogy minél nagyobb az entalpi változás a fázisátmenethez, annál magasabb a hőmérséklet, amelyen az anyag a fázisátmeneten megy keresztül. Például az erős intermolekuláris látványosságokkal rendelkező folyadékok több hőt igényelnek elpárologni, mint a gyenge intermolekuláris látványosságokkal rendelkező folyadékok; ezért ezeknek a folyadékoknak a forráspontja (párolgási pontja) magasabb lesz, mint a gyengébb intermolekuláris látványosságokkal rendelkező folyadékok esetében.
hűtés
most a hőmotorokról és a fázisátmenetekről szóló megértésünket fogjuk használni, hogy elmagyarázzuk, hogyan működnek a hűtőszekrények., A fázisátmenetekhez kapcsolódó entalpiás változásokat egy hőmotor (1.ábra) alkalmazhatja a munka elvégzésére és a fázisátmeneten átesett anyag és annak környezete közötti hőátadásra. Egy hőmotorban egy” működő anyag ” magas hőmérsékleten elnyeli a hőt, és ennek a hőnek egy részét munkává alakítja. Másodlagos folyamat során a többi hőt alacsonyabb hőmérsékleten szabadítják fel a környezetbe, mivel a hőmotor nem 100% – ban hatékony.
amint az a 2. ábrán látható, a hűtőszekrényt fordított hőmotornak lehet tekinteni., A hűtőközeg hűtési hatását a hűtőfolyadék kondenzációjának és párologtatásának ciklusával érik el, amely általában a ccl2f2 (Freon-12) nem mérgező vegyület. A hűtőszekrény elektromos meghajtású kompresszort tartalmaz, amely Freon gázzal működik. A hűtőszekrényen kívüli tekercsek lehetővé teszik a Freon számára, hogy kondenzáláskor felszabadítsa a hőt, a hűtőszekrény belsejében lévő tekercsek pedig lehetővé teszik a Freon számára, hogy elpárologjon. Az 5. ábra a Freon fázisátmeneteit és a hűtési ciklus során bekövetkező hőcserélő eseményeket mutatja.,
 |
|
 |
kattintson a rózsaszín gombra, hogy megtekinthesse a QuickTime filmet, amely bemutatja a hűtési ciklus animációját. |
|
|
a fent leírt ciklus nem folyamatosan fut, hanem termosztát vezérli., Amikor a hűtőszekrény hőmérséklete a beállított hőmérséklet fölé emelkedik, a termosztát elindítja a kompresszort. Miután a hűtőszekrényt lehűtötték a beállított hőmérséklet alatt, a kompresszor ki van kapcsolva. Ez a vezérlő mechanizmus lehetővé teszi a hűtőszekrény számára, hogy energiát takarítson meg azáltal, hogy csak annyit fut, amennyire szükséges a hűtőszekrény kívánt hőmérsékleten tartásához.
összefoglaló
A Hűtőszekrények lényegében fordított hőmotorok. Míg a hőmotor a hőt munkává alakítja, a fordított hőmotorok a munkát hővé alakítják., A hűtőszekrényben a keletkező hő a hűtőszekrény külső oldalára kerül. A hűtőszekrény hűtéséhez “működő anyag” vagy “hűtőfolyadék”, például Freon szükséges. A hűtőszekrény működik egy ciklus kompressziós és bővítése a Freon. A munkát a Freonon egy kompresszor végzi, a Freon pedig hőt bocsát ki a levegőre a hűtőszekrényen kívül (mivel az exoterm kondenzáción megy keresztül gázról folyadékra)., Regenerálódni a gáz-halmazállapotú Freon a tömörítés, a Freon áthalad egy belső tekercs, ahol megy a endoterm párolgás a folyékony fázis a gáz-halmazállapotú. Ez az endoterm folyamat miatt a Freon elnyeli a hőt a hűtőszekrény belsejében lévő levegőből, hűtve a hűtőszekrényt.
további linkek:
- további magyarázatot arról, hogyan hűtőszekrény munka, lásd ezt az oldalt a “Hogyan működik a cucc”, Marshall Brian.
Brown, Lemay és Bursten. Kémia: a központi tudomány, 7. Szerk., 395-98.
Petrucci és Harwood., Általános Kémia, 7. Szerk., 435. o., 699-701., 714-15.
Köszönetnyilvánítás:
A szerzők köszönetet Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor Carolyn a Herman sok hasznos javaslatokat az írás, hogy ez a bemutató.
ennek az oktatóanyagnak a fejlesztését a Howard Hughes Medical Institute ösztöndíja támogatta az egyetemi Biológiai Tudományok oktatási programján keresztül, Grant HHMI # 71199-502008 a Washingtoni Egyetemen.