|
Fase Endringer og Kjøling: |
||
 |
Forfattere: Rachel Casiday og Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Kjøleskap)
- Faser av Saken
- Solid
- Flytende
- Gass
- Fase Overganger
- Fusion/ Frysing
- Dampfunksjon/ Kondens
- Sublimering/ Deponering
- Bryte eller Dannelse av Intermolecular Attraksjoner i Fase Overganger
- Endre i Entalpi (ΔH) av Fase Overganger
- Kjøle-Syklus
i Slekt Tutorials
- Band, Obligasjoner, og Doping: Hvordan Lampene Fungerer?,
- Gass Lover Redde Liv: Kjemien Bak kollisjonsputer
Innledning: Varme Motorer og Kjøling
Kjøle har tillatt for store fremskritt i vår evne til å lagre mat og andre stoffer trygt for lange perioder av gangen. Den samme teknologien som brukes til å kjøre kjøleskap er også brukt i air conditioners. Hvordan fungerer denne teknologien fungerer til å produsere kald luft når de ytre forhold er hot?, Som vi skal se, kjøleskap (og klimaanlegg), er basert på termodynamiske program kjent som den varme motoren, samt molekylære egenskapene til stoffet som finnes i spoler av kjøleskapet.
En av de viktigste praktiske anvendelser av prinsippene i termodynamikk er den varme motoren (Figur 1). I den varme motoren, varme absorberes fra en «arbeider substans» på høy temperatur og delvis konvertert til arbeid. Varme motorer er aldri 100% effektiv, fordi den gjenværende varmen ( dvs., den varme er ikke konverteres til arbeid) er sluppet ut til omgivelsene, som er på et lavere temperatur. Dampmaskiner brukes til å drive tidlig tog og elektriske generatorer er varme motorer der vann er fungerende stoff. I en omvendt varme motoren (Figur 2), den motsatte effekten oppstår. Arbeidet er konvertert til varme, som er utgitt.
Figur 1
I en varme motoren, en inngang av varme fører til en økning i temperaturen på å arbeide stoff, slik at de som arbeider stoff til å utføre arbeid., I denne skjematisk diagram, arbeider stoffet er vann. Ved høy temperatur, i gassform vann (damp) presser du et stempel, som fører til et hjul for å slå. Dette er den grunnleggende mekanismen som dampdrevne tog opererer.
Figur 2
I en omvendt varme motoren, et arbeid inngang er konvertert til en varmeeffekt. I dette tilfellet arbeid (generert av elektrisitet) kondenserer i gassform vann (damp) og skyver det inn i et varme-exchange-coil., I spolen, temperaturen på vannet som senker det liquefies, avgi varme til omgivelsene.
I 1851, Florida lege John Gorrie ble tildelt den første U.S. Patent for en kjøle-maskinen, som bruker en omvendt varme motoren (Figur 2) som det første skrittet i sin drift. Gorrie, overbevist om at kurere malaria var kaldt på grunn utbrudd ble avsluttet i vinter, søkt å utvikle en maskin som kunne gjøre isen og kjøle seg ned i pasientens rom i varme Florida sommeren. I Dr., Gorrie kjøleskap, air ble komprimert ved hjelp av en pumpe, som fikk temperaturen til å øke (utveksling av arbeid for varme). Kjører denne trykkluft gjennom rør i et kaldt vannbad utgitt varmen i vannet. Luften var så lov til å utvide igjen til atmosfærisk trykk, men fordi den hadde mistet varme til vannet, temperaturen var lavere enn før, og kan brukes til å kjøle ned rommet.
Moderne kjøleskap drive av samme omvendt-varme-motor prinsippet om konvertering arbeide for å varme, men bruker andre stoffer enn luft., De arbeider stoff i en moderne kjøleskap er kalt kjølevæske; kjølevæske endringer fra gass til væske som går fra høyere til lavere temperatur. Denne endringen fra gass-til-væske er en faseovergang, og energien som frigis ved denne overgangen er i hovedsak avhengig av intermolecular vekselsvirkningene av stoffet.Derfor, for å forstå kjøle-syklus som brukes i moderne kjøleskap, er det nødvendig å først diskutere fase overganger.
Faser og Fase Overganger
Saken hovedsakelig finnes i tre ulike faser (fysisk stater): fast stoff, væske og gass., En fase er en form for materie som er uniform i kjemisk sammensetning og fysikalske egenskaper. Som vist i Figur 3, et stoff i fast fase har en klar form og volum; et stoff i flytende fase har ingen bestemt form, men har en klar volum; et stoff i gass fase har ingen bestemt form eller volum, men har en form og volum bestemmes av formen og størrelsen på beholderen.,
Figur 3
Denne skjematiske diagrammet viser forskjeller i fysiske egenskaper og partikkel-ordningen mellom et stoff i fast, flytende og gass faser. I en solid, partikler er pakket i en stiv konfigurasjon, noe som gir stoffet en bestemt form og størrelse. I en væske, partikler er tett sammen, men kan bevege seg med respekt til hverandre, noe som gir stoffet et bestemt volum, men en flytende form., I en gass, partikler kan okkupere hele volumet av beholderen, slik at deres form og volum er begge definert av beholderen.
Molecular (Mikroskopiske) Vis
En av de store forskjellene i de tre fasene er illustrert i Figur 3 er antall intermolecular vekselsvirkningene de inneholder. Partiklene i en solid samhandle med alle sine nærmeste naboer, partikler i en væske samhandle med kun noen av de nærliggende partikler, og partiklene i en gass har nesten ingen interaksjon med hverandre., Ved å bryte eller forming intermolecular vekselsvirkningene, et stoff som kan endre seg fra en fase til en annen. For eksempel, gass molekyler kondensere til å danne væsker grunn av tilstedeværelsen av attraktive intermolecular styrker. Jo sterkere den attraktive styrker, jo større stabilitet av væske (som fører til et høyere kokepunkt temperatur). En endring i den fysiske tilstand av materie kalles en faseovergang. Navn på fasen overganger mellom fast stoff, væske og gass er vist i Figur 4.,
Fase overganger er lik kjemiske reaksjoner som de hver har en tilknyttet entalpi endre. Mens en kjemisk reaksjon som innebærer å bryte og forming av obligasjoner i molekyler, fase overganger innebære å bryte eller forming av intermolecular attraktive styrker. Fase overganger medfører brudd på intermolecular attraksjoner ( for eksempel fusjon, dampfunksjon, og sublimering) krever input av energi til å overvinne den tiltrekkende krefter mellom partiklene i stoffet., Fase overganger medfører dannelse av intermolecular attraksjoner ( for eksempel frysing, kondens, og deponering) frigir energi som partikler vedta en lavere energi konformasjon. Styrken av intermolecular attraksjoner mellom molekyler, og derfor er den mengden energi som kreves for å overvinne disse attraktive styrker (samt mengden energi som frigjøres når attraksjoner er dannet) avhenger av den molekylære egenskapene til stoffet. Generelt er mer polare et molekyl er, jo sterkere tiltrekkende krefter mellom molekyler er., Derfor, mer polare molekyler som vanligvis krever mer energi til å overvinne intermolecular attraksjoner, og frigjøre mer energi ved å danne intermolecular attraksjoner.,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 høyre i diagrammet, viser at disse tre fasene har ulike enthalpies: gass har den høyeste entalpi, væske har en middels entalpi, og solid har den laveste entalpi.
Tabell 1
Denne tabellen viser tegn på entalpi endres for hver av fase overganger som er beskrevet ovenfor. Husker at endothermic prosesser har en positiv entalpi endre, og eksoterme prosesser har en negativ entalpi endre.,
Termodynamiske (Makroskopiske) Vis
I tillegg til den mikroskopiske vise presentert ovenfor, kan vi beskrive fase overganger i form av makroskopiske, termodynamiske egenskaper. Det er viktig å huske på at den mikroskopiske og makroskopiske utsikt er gjensidig avhengig av hverandre, det vil si, den termodynamiske egenskaper, slik som entalpi og temperatur, av et stoff er avhengig av den molekylære oppførsel av stoffet.
Fase overganger er ledsaget av endringer i entalpi og entropi., I denne opplæringen vil vi engasjere oss i hovedsak med endringer i entalpi. Energien endre involvert i å bryte eller forming intermolecular attraksjoner er først og fremst levert eller ut i form av varme. Legge til varme gjør intermolecular attraksjoner til å bli brutt. Hvordan fungerer dette skje? Varme er en overføring av energi til molekylene, noe som fører til molekyler for å øke sin bevegelse som beskrevet av kinetisk teori av gasser og dermed svekke intermolecular krefter som holder molekylene i stedet., Likeledes, når molekyler miste varme, intermolecular attraksjoner er styrket; som varme er tapt, molekylene beveger seg saktere og derfor kan samhandle mer med andre nærliggende molekyler.
Fordi fase endringer generelt skje ved konstant trykk ( dvs., i en reaksjon kar åpner til atmosfæren), varmen kan beskrives ved en endring i entalpi (ΔH=qp). For fase overganger medfører brudd på intermolecular attraksjoner, varme er lagt til og ΔH er positiv, systemet kommer fra en lavere entalpi fase til en høyere entalpi fase (en endothermic prosessen)., Derfor, fusion, dampfunksjon, og sublimering er alle endothermic fase overganger. For fase overganger som involverer forming av intermolecular attraksjoner, varme frigjøres og ΔH er negativ, fordi systemet kommer fra en høyere entalpi fase til en lavere entalpi fase (en eksoterme prosessen). Derfor, frysing, kondens, og deponering er alle eksoterme fase overganger. Den entalpi endres for hver av fase-overgang prosesser i Figur 4 er vist i Tabell 1 ovenfor.,
entalpi endring av fase overganger kan også brukes til å forklare forskjeller i smelte poeng og kokende poeng av stoffer. På et gitt press, et stoff har en karakteristisk spekter av temperaturer hvor det gjennomgår en fase overganger, for eksempel, smeltepunkt er den temperaturen som et stoff endringer fra fast fase til flytende fase og kokepunkt er temperaturen på som et stoff endringer fra flytende fase til fase i gassform., Generelt, jo større entalpi endring for en faseovergang, jo høyere temperatur som stoffet gjennomgår faseovergang. For eksempel, væsker med sterk intermolecular attraksjoner krever mer av varmen til å fordampe enn væske med svak intermolecular attraksjoner; derfor, kokepunkt (dampfunksjon punkt) for disse væskene vil være høyere enn for væsker med svakere intermolecular attraksjoner.
Kjøling
Nå, skal vi bruke vår forståelse av varme motorer og fase overganger for å forklare hvordan kjøleskap arbeid., Den entalpi endringer knyttet til fase overganger kan bli brukt av en varme motoren (Figur 1) for å utføre arbeid, og til å overføre varme mellom stoff inne i en fase overgang og dens omkringliggende miljø. I en varme motoren, en «arbeider substans» absorberer varme ved høy temperatur og konverterer en del av denne varmen til å fungere. I en sekundær prosess, resten av den varme frigjøres til omgivelsene ved en lavere temperatur, fordi den varme motoren er ikke 100% effektiv.
Som vist i Figur 2, kjøleskap kan være tenkt som en varme motoren i revers., Den avkjølende effekt i et kjøleskap er oppnådd av en syklus av kondens og dampfunksjon av kjølevæske, som vanligvis er giftig stoff CCl2F2 (Freon-12). Et kjøleskap inneholder en elektrisk drevet kompressor som fungerer på Freon gassen. Spoler utenfor kjøleskap tillate Freon å slippe varmen når den kondenserer, og spoler inne i kjøleskapet tillate Freon til å absorbere varme som den fordamper. Figur 5 viser fase overganger av Freon og tilhørende varme-exchange hendelser som oppstår i løpet av kjøle-syklus.,
 |
|
 |
Klikk på den rosa knappen for å vise en QuickTime-film som viser en animasjon av kjøle-syklus. |
|
|
syklusen som er beskrevet ovenfor ikke kjøre kontinuerlig, men snarere styres av en termostat., Når temperaturen inne i kjøleskapet stiger over innstilt temperatur, termostaten starter kompressoren. Når kjøleskapet har blitt avkjølt under den innstilte temperaturen, kompressoren er slått av. Denne kontrollen mekanismen gjør at kjøleskapet for å spare strøm ved å bare kjøre så mye som er nødvendig for å holde kjøleskap på ønsket temperatur.
Oppsummering
Kjøleskap er i hovedsak varme motorer å jobbe i revers. Mens en varme motoren konverterer varme til arbeid, omvendt varme motorer konvertere arbeid til varme., I kjøleskap, varmen som genereres, er overført til utsiden av kjøleskap. Avkjøles i kjøleskap, en «arbeider substans», eller «kjølevæske», som Freon er nødvendig. Kjøleskapet virker ved hjelp av en syklus av kompresjon og ekspansjon på Freon. Arbeidet er gjort på Freon av en kompressor, og Freon utgivelser varme til luften på utsiden av kjøleskapet (som det gjennomgår den eksoterme kondens fra gass til væske)., For å regenerere gassform Freon for komprimering, Freon passerer gjennom en intern coil, hvor det gjennomgår endothermic dampfunksjon fra flytende fase til fase i gassform. Dette endothermic prosessen fører til at Freon til å absorbere varmen fra luften inne i kjøleskapet for avkjøling i kjøleskap.
Flere Lenker:
- For mer forklaring om hvordan kjøleskap arbeid, se dette nettstedet fra «Hvordan Ting Fungerer,» av Brian Marshall.
Brown, Lemay, og Bursten. Kjemi: Den Sentrale Vitenskap, 7. ed. på side. 395-98.
Petrucci og Harwood., Generell Kjemi, 7. ed. på side. 435, 699-701, 714-15.
Takk:
forfatterne takker Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Hanne Proctor og Carolyn Herman for mange nyttige forslag i skrivingen av denne opplæringen.
utvikling av denne opplæringen ble støttet av et stipend fra Howard Hughes Medical Institute, gjennom Lavere Biologiske Fag Education program, Gi HHMI# 71199-502008 til Washington University.