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Cambiamenti di Fase e di Refrigerazione: |
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Autori: Rachel Casiday e Regina Frey |
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- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Frigoriferi)
- le Fasi della Materia
- Solid
- Liquido
- Gas
- Transizioni di Fase
- Fusione/ Congelamento
- Evaporazione/ Condensazione
- Sublimazione/ Deposizione
- la Rottura o la Formazione di Attrazioni Intermolecolari in Transizioni di Fase
- Variazione di Entalpia (ΔH) delle Transizioni di Fase
- Ciclo di Refrigerazione
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Introduzione: Motori di calore e refrigerazione
Refrigerazione ha permesso per grandi progressi nella nostra capacità di conservare cibo e altre sostanze in modo sicuro per lunghi periodi di tempo. La stessa tecnologia utilizzata per eseguire i frigoriferi viene utilizzata anche nei condizionatori d’aria. Come funziona questa tecnologia per produrre aria fresca quando le condizioni esterne sono calde?, Come vedremo, i frigoriferi (e i condizionatori d’aria) si basano sull’applicazione termodinamica nota come motore termico, nonché sulle proprietà molecolari della sostanza contenuta nelle bobine del frigorifero.
Una delle applicazioni pratiche più importanti dei principi della termodinamica è il motore termico (Figura 1). Nel motore termico, il calore viene assorbito da una” sostanza di lavoro ” ad alta temperatura e parzialmente convertito in lavoro. I motori termici non sono mai efficienti al 100%, perché il calore rimanente ( cioè,, il calore non viene convertito in lavoro) viene rilasciato ai dintorni, che sono ad una temperatura più bassa. I motori a vapore utilizzati per alimentare i primi treni e generatori elettrici sono motori di calore in cui l’acqua è la sostanza di lavoro. In un motore termico inverso (Figura 2), si verifica l’effetto opposto. Il lavoro viene convertito in calore, che viene rilasciato.
Figura 1
In un motore termico, un apporto di calore provoca un aumento della temperatura della sostanza di lavoro, consentendo alla sostanza di lavoro di eseguire il lavoro., In questo diagramma schematico, la sostanza di lavoro è l’acqua. Ad alta temperatura, l’acqua gassosa (vapore) spinge un pistone, che fa girare una ruota. Questo è il meccanismo essenziale con cui operano i treni a vapore.
Figura 2
In un motore termico inverso, un ingresso di lavoro viene convertito in una potenza termica. In questo caso, il lavoro (generato dall’elettricità) condensa l’acqua gassosa (vapore) e la spinge in una bobina di scambio termico., Nella bobina, la temperatura dell’acqua si abbassa mentre si liquefa, rilasciando calore all’ambiente.
Nel 1851, il medico della Florida John Gorrie ottenne il primo brevetto statunitense per una macchina di refrigerazione, che utilizza un motore termico inverso (Figura 2) come primo passo nel suo funzionamento. Gorrie, convinto che la cura per la malaria era freddo perché focolai sono stati terminati in inverno, ha cercato di sviluppare una macchina che potrebbe fare il ghiaccio e raffreddare la stanza di un paziente nella calda estate della Florida. Nel Dott., Frigorifero di Gorrie, l’aria veniva compressa usando una pompa, che causava l’aumento della temperatura dell’aria (scambiando il lavoro con il calore). L’esecuzione di questa aria compressa attraverso i tubi in un bagno di acqua fredda ha rilasciato il calore nell’acqua. L’aria è stato poi permesso di espandersi di nuovo alla pressione atmosferica, ma perché aveva perso calore per l’acqua, la temperatura dell’aria era inferiore a prima e potrebbe essere utilizzato per raffreddare la stanza.
I frigoriferi moderni funzionano secondo lo stesso principio del motore termico inverso di convertire il lavoro in calore, ma usano sostanze diverse dall’aria., La sostanza di lavoro in un moderno frigorifero è chiamata refrigerante; il refrigerante cambia da gas a liquido man mano che passa dalla temperatura più alta a quella più bassa. Questo cambiamento da gas a liquido è una transizione di fase e l’energia rilasciata su questa transizione dipende principalmente dalle interazioni intermolecolari della sostanza.Quindi, per comprendere il ciclo di refrigerazione utilizzato nei frigoriferi moderni, è necessario prima discutere le transizioni di fase.
Fasi e transizioni di fase
La materia esiste principalmente in tre diverse fasi (stati fisici): solido, liquido e gas., Una fase è una forma di materia che è uniforme nella composizione chimica e nelle proprietà fisiche. Come mostrato nella Figura 3, una sostanza nella fase solida ha una forma e un volume definiti; una sostanza nella fase liquida non ha una forma definita, ma ha un volume definito; una sostanza nella fase gassosa non ha una forma o un volume definiti, ma ha una forma e un volume determinati dalla forma e dalla dimensione del contenitore.,
Figura 3
Questo diagramma schematico mostra le differenze nelle proprietà fisiche e nella disposizione delle particelle tra una sostanza nelle fasi solido, liquido e gas. In un solido, le particelle sono imballate in una configurazione rigida, dando alla sostanza una forma e una dimensione definite. In un liquido, le particelle sono vicine tra loro ma possono muoversi l’una rispetto all’altra, dando alla sostanza un volume definito ma una forma fluida., In un gas, le particelle possono occupare l’intero volume del contenitore, in modo che la loro forma e volume siano entrambi definiti dal contenitore.
Vista molecolare (microscopica)
Una delle principali differenze nelle tre fasi illustrate nella Figura 3 è il numero di interazioni intermolecolari che contengono. Le particelle in un solido interagiscono con tutti i loro vicini più vicini, le particelle in un liquido interagiscono solo con alcune delle particelle vicine e le particelle in un gas non hanno quasi alcuna interazione l’una con l’altra., Rompendo o formando interazioni intermolecolari, una sostanza può cambiare da una fase all’altra. Ad esempio, le molecole di gas si condensano per formare liquidi a causa della presenza di forze intermolecolari attraenti. Più forti sono le forze attrattive, maggiore è la stabilità del liquido (che porta ad una temperatura del punto di ebollizione più elevata). Un cambiamento nello stato fisico della materia è chiamato transizione di fase. I nomi delle transizioni di fase tra solido, liquido e gas sono mostrati in Figura 4.,
Le transizioni di fase sono simili alle reazioni chimiche in quanto ciascuna di esse ha un cambiamento di entalpia associato. Mentre una reazione chimica comporta la rottura e la formazione di legami all’interno delle molecole, le transizioni di fase comportano la rottura o la formazione di forze attrattive intermolecolari. Le transizioni di fase che coinvolgono la rottura delle attrazioni intermolecolari (come la fusione, la vaporizzazione e la sublimazione) richiedono un apporto di energia per superare le forze attrattive tra le particelle della sostanza., Le transizioni di fase che coinvolgono la formazione di attrazioni intermolecolari (come il congelamento, la condensazione e la deposizione) rilasciano energia mentre le particelle adottano una conformazione a energia inferiore. La forza delle attrazioni intermolecolari tra le molecole, e quindi la quantità di energia necessaria per superare queste forze attrattive (così come la quantità di energia rilasciata quando si formano le attrazioni) dipende dalle proprietà molecolari della sostanza. Generalmente, più una molecola è polare, più forti sono le forze attrattive tra le molecole., Quindi, più molecole polari in genere richiedono più energia per superare le attrazioni intermolecolari e rilasciano più energia formando attrazioni intermolecolari.,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 freccia a destra del diagramma dimostra che queste tre fasi hanno entalpie diverse: il gas ha l’entalpia più alta, il liquido ha un’entalpia intermedia e il solido ha l’entalpia più bassa.
Tabella 1
Questa tabella mostra il segno della variazione di entalpia per ciascuna delle transizioni di fase sopra descritte. Ricordiamo che i processi endotermici hanno un cambiamento entalpico positivo e i processi esotermici hanno un cambiamento entalpico negativo.,
Vista termodinamica (macroscopica)
Oltre alla vista microscopica presentata sopra, possiamo descrivere le transizioni di fase in termini di proprietà macroscopiche e termodinamiche. È importante tenere presente che le viste microscopiche e macroscopiche sono interdipendenti; cioè, le proprietà termodinamiche, come l’entalpia e la temperatura, di una sostanza dipendono dal comportamento molecolare della sostanza.
Le transizioni di fase sono accompagnate da cambiamenti nell’entalpia e nell’entropia., In questo tutorial, ci occuperemo principalmente dei cambiamenti nell’entalpia. Il cambiamento di energia coinvolto nella rottura o nella formazione di attrazioni intermolecolari viene principalmente fornito o rilasciato sotto forma di calore. L’aggiunta di calore provoca la rottura delle attrazioni intermolecolari. Come si verifica questo? Il calore è un trasferimento di energia alle molecole, causando le molecole ad aumentare il loro movimento come descritto dalla teoria cinetica dei gas e quindi indebolendo le forze intermolecolari che tengono le molecole in posizione., Allo stesso modo, quando le molecole perdono calore, le attrazioni intermolecolari sono rafforzate; poiché il calore viene perso, le molecole si muovono più lentamente e quindi possono interagire di più con altre molecole vicine.
Poiché i cambiamenti di fase si verificano generalmente a pressione costante ( cioè in un recipiente di reazione aperto all’atmosfera), il calore può essere descritto da un cambiamento di entalpia (ΔH=qp). Per le transizioni di fase che coinvolgono la rottura delle attrazioni intermolecolari, viene aggiunto calore e ΔH è positivo, il sistema passa da una fase a entalpia inferiore a una fase a entalpia superiore (un processo endotermico)., Quindi, fusione, vaporizzazione e sublimazione sono tutte transizioni di fase endotermiche. Per le transizioni di fase che coinvolgono la formazione di attrazioni intermolecolari, il calore viene rilasciato e ΔH è negativo, perché il sistema sta passando da una fase entalpica superiore a una fase entalpica inferiore (un processo esotermico). Quindi, il congelamento, la condensazione e la deposizione sono tutte transizioni di fase esotermiche. La variazione di entalpia per ciascuno dei processi di transizione di fase nella Figura 4 è mostrata nella Tabella 1 sopra.,
Il cambiamento entalpico delle transizioni di fase può anche essere usato per spiegare le differenze nei punti di fusione e nei punti di ebollizione delle sostanze. Ad una data pressione, una sostanza ha un intervallo caratteristico di temperature a cui subisce transizioni di fase; ad esempio, il punto di fusione è la temperatura alla quale una sostanza cambia dalla fase solida alla fase liquida e il punto di ebollizione è la temperatura alla quale una sostanza cambia dalla fase liquida alla fase gassosa., In generale, maggiore è la variazione di entalpia per una transizione di fase, maggiore è la temperatura alla quale la sostanza subisce la transizione di fase. Ad esempio, i liquidi con forti attrazioni intermolecolari richiedono più calore per vaporizzare rispetto ai liquidi con attrazioni intermolecolari deboli; pertanto, il punto di ebollizione (punto di vaporizzazione) per questi liquidi sarà superiore rispetto ai liquidi con attrazioni intermolecolari più deboli.
Refrigerazione
Ora, useremo la nostra comprensione dei motori termici e delle transizioni di fase per spiegare come funzionano i frigoriferi., I cambiamenti di entalpia associati alle transizioni di fase possono essere utilizzati da un motore termico (Figura 1) per eseguire il lavoro e per trasferire calore tra la sostanza in fase di transizione e l’ambiente circostante. In un motore termico, una “sostanza di lavoro” assorbe il calore ad alta temperatura e converte parte di questo calore in lavoro. In un processo secondario, il resto del calore viene rilasciato all’ambiente circostante a una temperatura inferiore, perché il motore termico non è efficiente al 100%.
Come mostrato in Figura 2, un frigorifero può essere pensato come un motore termico al contrario., L’effetto di raffreddamento in un frigorifero è ottenuto da un ciclo di condensazione e vaporizzazione del refrigerante, che di solito è il composto non tossico CCl2F2 (Freon-12). Un frigorifero contiene un compressore alimentato elettricamente che funziona a gas Freon. Le bobine all’esterno del frigorifero consentono al Freon di rilasciare calore quando si condensa e le bobine all’interno del frigorifero consentono al Freon di assorbire il calore mentre si vaporizza. La figura 5 mostra le transizioni di fase del Freon e gli eventi di scambio termico associati che si verificano durante il ciclo di refrigerazione.,
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fare Clic sul pulsante rosa per visualizzare un filmato QuickTime che mostra un’animazione di un ciclo di refrigerazione. |
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Il ciclo sopra descritto non funziona continuamente, ma è controllato da un termostato., Quando la temperatura all’interno del frigorifero supera la temperatura impostata, il termostato avvia il compressore. Una volta che il frigorifero è stato raffreddato al di sotto della temperatura impostata, il compressore viene spento. Questo meccanismo di controllo consente al frigorifero di conservare l’elettricità eseguendo solo quanto è necessario per mantenere il frigorifero alla temperatura desiderata.
Sommario
I frigoriferi sono essenzialmente motori termici che funzionano in senso inverso. Mentre un motore termico converte il calore in lavoro, i motori termici inversi convertono il lavoro in calore., Nel frigorifero, il calore generato viene trasferito all’esterno del frigorifero. Per raffreddare il frigorifero, è necessaria una “sostanza di lavoro” o “refrigerante”, come il Freon. Il frigorifero funziona utilizzando un ciclo di compressione ed espansione sul Freon. Il lavoro viene eseguito sul Freon da un compressore e il Freon rilascia calore all’aria all’esterno del frigorifero (poiché subisce la condensazione esotermica da un gas a un liquido)., Per rigenerare il Freon gassoso per compressione, il Freon passa attraverso una bobina interna, dove subisce la vaporizzazione endotermica dalla fase liquida alla fase gassosa. Questo processo endotermico fa sì che il Freon assorba il calore dall’aria all’interno del frigorifero, raffreddando il frigorifero.
Link aggiuntivi:
- Per ulteriori spiegazioni su come funzionano i frigoriferi, vedere questo sito da “How Stuff Works”, di Marshall Brian.
Marrone, Lemay, e Bursten. Chimica: La scienza centrale, 7th ed., pag. 395-98.
Petrucci e Harwood., Chimica generale, 7th ed., p. 435, 699-701, 714-15.
Ringraziamenti:
Gli autori ringraziano Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor e Carolyn Herman per molti suggerimenti utili nella stesura di questo tutorial.
Lo sviluppo di questo tutorial è stato supportato da una borsa di studio del Howard Hughes Medical Institute, attraverso il programma di formazione di scienze biologiche di laurea, Grant HHMI# 71199-502008 alla Washington University.