|
Fase Wijzigingen en Koel: |
||
 |
Auteurs: Rachel Casiday en Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g., Koelkasten)
- Fases van Materie
- Effen
- Vloeistof
- Benzine
- Fase Overgangen
- Fusion – / Vriespunt
- Verdamping/ Condensatie
- Sublimatie/ Depositie
- het Breken of de Vorming van Intermoleculaire Trekpleisters in Fase Overgangen
- Verandering in de Enthalpie (ΔH) van Fase Overgangen
- Koel-Cyclus
Gerelateerde Tutorials
- Bands, Obligaties en Doping: Hoe Werken LEDs?,
- gaswetten redden levens: de chemie achter airbags
Inleiding: warmtemotoren en koeling
koeling heeft grote vooruitgang mogelijk gemaakt in ons vermogen om voedsel en andere stoffen veilig op te slaan voor langere tijd. Dezelfde technologie die wordt gebruikt voor koelkasten wordt ook gebruikt in airconditioners. Hoe werkt deze technologie om koele lucht te produceren wanneer de externe omstandigheden heet zijn?, Zoals we zullen zien, zijn koelkasten (en airconditioners) afhankelijk van de thermodynamische toepassing die bekend staat als de warmtemotor, evenals de moleculaire eigenschappen van de stof in de spoelen van de koelkast.
een van de belangrijkste praktische toepassingen van de principes van de thermodynamica is de warmtemotor (figuur 1). In de warmtemotor wordt warmte geabsorbeerd uit een” werkstof ” bij hoge temperatuur en gedeeltelijk omgezet in werk. Warmtemotoren zijn nooit 100% efficiënt, omdat de resterende warmte (d.w.z.,, wordt de warmte niet omgezet in werk) wordt vrijgegeven aan de omgeving, die op een lagere temperatuur. De stoommachines die gebruikt worden voor de aandrijving van vroege treinen en elektrische generatoren zijn warmtemotoren waarin water de werkzame stof is. In een omgekeerde warmtemotor (Figuur 2) treedt het tegenovergestelde effect op. Werk wordt omgezet in warmte, die vrijkomt.
figuur 1
in een warmtemotor veroorzaakt een toevoer van warmte een verhoging van de temperatuur van de werkzame stof, waardoor de werkzame stof werk kan verrichten., In dit schema is de werkzame stof water. Bij hoge temperatuur duwt gasvormig water (stoom) een zuiger, waardoor een wiel draait. Dit is het essentiële mechanisme waarmee stoomtreinen werken.
Figuur 2
In een omgekeerde warmtemotor wordt een werkinvoer omgezet in een warmteafgifte. In dit geval condenseert het werk (opgewekt door elektriciteit) gasvormig water (stoom) en duwt het in een warmtewisselaar spoel., In de spoel verlaagt de temperatuur van het water als het vloeibaar wordt, waardoor warmte vrijkomt in het milieu. in 1851 kreeg John Gorrie van Florida het eerste Amerikaanse Patent voor een koelmachine, die gebruik maakt van een omgekeerde warmtemotor (Figuur 2) als eerste stap in de werking. Gorrie, ervan overtuigd dat de remedie voor malaria koud was omdat uitbraken in de winter werden beëindigd, probeerde een machine te ontwikkelen die ijs kon maken en de kamer van een patiënt kon koelen in de hete zomer in Florida. In Dr., Gorrie ‘ S koelkast, lucht werd samengeperst met behulp van een pomp, waardoor de temperatuur van de lucht te verhogen (uitwisseling van werk voor warmte). Door deze perslucht in een koudwaterbad door buizen te laten lopen, kwam de warmte in het water terecht. De lucht mocht dan weer uitzetten tot atmosferische druk, maar omdat het warmte aan het water had verloren, was de temperatuur van de lucht lager dan voorheen en kon worden gebruikt om de kamer te koelen.
moderne koelkasten werken volgens hetzelfde omgekeerde-warmte-motor principe van het omzetten van werk in warmte, maar gebruiken andere stoffen dan lucht., De werkende substantie in een moderne koelkast heet het koelmiddel; het koelmiddel verandert van gas naar vloeistof als het van hogere naar lagere temperatuur gaat. Deze verandering van gas naar vloeistof is een faseovergang, en de energie die vrijkomt bij deze overgang is voornamelijk afhankelijk van de intermoleculaire interacties van de stof.Vandaar, om de koelcyclus te begrijpen die in moderne koelkasten wordt gebruikt, is het noodzakelijk om eerst faseovergangen te bespreken.
fasen en faseovergangen
materie bestaat voornamelijk in drie verschillende fasen (fysische toestanden): vast, vloeibaar en gas., Een fase is een vorm van materie die uniform is in chemische samenstelling en fysische eigenschappen. Zoals blijkt uit Figuur 3, heeft een stof in de vaste fase een bepaalde vorm en volume; een stof in de vloeibare fase heeft geen bepaalde vorm, maar heeft een bepaalde volume; een stof in de gasfase heeft geen bepaalde vorm of volume, maar heeft een vorm en volume bepaald door de vorm en grootte van de container.,
Figuur 3
Dit schema toont de verschillen in fysische eigenschappen en deeltjesindeling tussen een stof in de vaste, vloeibare en gasfase. In een vaste stof worden de deeltjes verpakt in een stijve configuratie, waardoor de stof een bepaalde vorm en grootte. In een vloeistof, de deeltjes zijn dicht bij elkaar, maar kunnen bewegen ten opzichte van elkaar, waardoor de stof een bepaald volume, maar een vloeibare vorm., In een gas kunnen de deeltjes het gehele volume van de container bezetten, zodat hun vorm en volume beide door de container worden bepaald.
moleculaire (microscopische) weergave
een van de belangrijkste verschillen in de drie fasen in Figuur 3 is het aantal intermoleculaire interacties die zij bevatten. De deeltjes in een vaste stof interageren met al hun naaste buren, de deeltjes in een vloeistof interageren met slechts enkele van de nabijgelegen deeltjes, en de deeltjes in een gas hebben bijna geen interactie met elkaar., Door intermoleculaire interacties te breken of te vormen, kan een stof van de ene fase naar de andere veranderen. Bijvoorbeeld, condenseren de gasmoleculen om vloeistoffen wegens de aanwezigheid van aantrekkelijke intermoleculaire krachten te vormen. Hoe sterker de aantrekkelijke krachten, hoe groter de stabiliteit van de vloeistof (wat leidt tot een hogere kookpunttemperatuur). Een verandering in de fysische toestand van de materie wordt een faseovergang genoemd. De namen van de faseovergangen tussen vast, vloeibaar en gas zijn weergegeven in Figuur 4.,
faseovergangen zijn vergelijkbaar met chemische reacties omdat ze elk een geassocieerde enthalpieverandering hebben. Terwijl een chemische reactie het breken en het vormen van banden binnen molecules impliceert, omvatten de faseovergangen het breken of het vormen van intermoleculaire aantrekkelijke krachten. Faseovergangen die het breken van intermoleculaire attracties ( zoals fusie, verdamping, en sublimatie) vereisen een input van energie om de aantrekkelijke krachten tussen de deeltjes van de stof te overwinnen., Faseovergangen die de vorming van intermoleculaire aantrekkingen ( zoals het bevriezen, condensatie, en depositie) impliceren geven energie vrij aangezien de deeltjes een lagere-energieconstructie aannemen. De sterkte van de intermoleculaire aantrekkingen tussen moleculen, en dus de hoeveelheid energie die nodig is om deze aantrekkelijke krachten te overwinnen (evenals de hoeveelheid energie die vrijkomt wanneer de aantrekkingen worden gevormd) hangt af van de moleculaire eigenschappen van de stof. Over het algemeen, hoe meer polair een molecuul is, hoe sterker de aantrekkelijke krachten tussen moleculen zijn., Vandaar, vereisen meer polaire molecules typisch meer energie om de intermoleculaire aantrekkelijkheden te overwinnen, en geven meer energie vrij door intermoleculaire aantrekkelijkheden te vormen.,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., De pijl rechts van het diagram toont aan dat deze drie fasen verschillende enthalpieën hebben: gas heeft de hoogste enthalpie, vloeistof heeft een tussenliggende enthalpie en vaste stof heeft de laagste enthalpie.
Tabel 1
deze tabel toont het teken van de enthalpieverandering voor elk van de hierboven beschreven faseovergangen. Bedenk dat endotherme processen een positieve enthalpische verandering hebben,en exotherme processen een negatieve enthalpische verandering.,
thermodynamische (macroscopische) weergave
naast de microscopische weergave hierboven kunnen we faseovergangen beschrijven in termen van macroscopische, thermodynamische eigenschappen. Het is belangrijk om in gedachten te houden dat de microscopische en macroscopische opvattingen onderling afhankelijk zijn; d.w.z., de thermodynamische eigenschappen, zoals enthalpie en temperatuur, van een stof zijn afhankelijk van het moleculaire gedrag van de stof.
faseovergangen gaan gepaard met veranderingen in enthalpie en entropie., In deze tutorial zullen we ons voornamelijk bezighouden met veranderingen in de enthalpie. De energieverandering die betrokken is bij het breken of vormen van intermoleculaire attracties wordt voornamelijk geleverd of vrijgegeven in de vorm van warmte. Het toevoegen van warmte zorgt ervoor dat intermoleculaire attracties worden gebroken. Hoe gebeurt dit? Warmte is een overdracht van energie aan moleculen, waardoor de moleculen om hun beweging te verhogen zoals beschreven door de kinetische theorie van gassen en daardoor verzwakking van de intermoleculaire krachten die de moleculen op hun plaats., Ook wanneer moleculen warmte verliezen, worden intermoleculaire attracties versterkt; als warmte verloren gaat, bewegen de moleculen langzamer en kunnen daarom meer interageren met andere nabijgelegen moleculen.
omdat faseveranderingen over het algemeen plaatsvinden bij constante druk ( d.w.z. in een reactievat dat openstaat voor de atmosfeer), kan de warmte worden beschreven door een verandering in enthalpie (ΔH=qp). Voor faseovergangen waarbij intermoleculaire aantrekkingen worden afgebroken, wordt warmte toegevoegd en ΔH is positief, het systeem gaat van een lagere enthalpiefase naar een hogere enthalpiefase (een endotherm proces)., Fusie, verdamping en sublimatie zijn dus allemaal endotherme faseovergangen. Bij faseovergangen waarbij intermoleculaire aantrekkingen ontstaan, komt warmte vrij en ΔH is negatief, omdat het systeem van een hogere enthalpiefase naar een lagere enthalpiefase gaat (een exotherm proces). Invriezen, condensatie en afzetting zijn dus allemaal exotherme faseovergangen. De enthalpieverandering voor elk van de faseovergangsprocessen in Figuur 4 is weergegeven in Tabel 1 hierboven.,
de enthalpie verandering van faseovergangen kan ook worden gebruikt om verschillen in smeltpunten en kookpunten van stoffen te verklaren. Bij een bepaalde druk heeft een stof een karakteristiek temperatuurbereik waarbij zij faseovergangen ondergaat; bijvoorbeeld: smeltpunt is de temperatuur waarbij een stof van vaste fase naar vloeibare fase overgaat en kookpunt is de temperatuur waarbij een stof van vloeibare fase naar gasvormige fase overgaat., In het algemeen geldt dat hoe groter de enthalpieverandering voor een faseovergang is, hoe hoger de temperatuur waarbij de stof de faseovergang ondergaat. Vloeistoffen met sterke intermoleculaire aantrekkingen hebben bijvoorbeeld meer warmte nodig om te verdampen dan vloeistoffen met zwakke intermoleculaire aantrekkingen; daarom zal het kookpunt (vaporisatiepunt) voor deze vloeistoffen hoger zijn dan voor vloeistoffen met zwakkere intermoleculaire aantrekkingen.
koeling
nu zullen we onze kennis van warmtemotoren en faseovergangen gebruiken om uit te leggen hoe koelkasten werken., De enthalpieveranderingen in verband met faseovergangen kunnen door een warmtemotor (figuur 1) worden gebruikt om werk te doen en warmte over te brengen tussen de stof die een faseovergang ondergaat en de omgeving ervan. In een warmtemotor absorbeert een” werkstof ” warmte bij een hoge temperatuur en zet een deel van deze warmte om in het werk. In een secundair proces komt de rest van de warmte bij een lagere temperatuur vrij in de omgeving, omdat de warmtemotor niet 100% efficiënt is.
zoals weergegeven in Figuur 2, kan een koelkast worden beschouwd als een omgekeerde warmtemotor., Het koeleffect in een koelkast wordt bereikt door een cyclus van condensatie en verdamping van het koelmiddel, dat gewoonlijk de niet-toxische verbinding CCl2F2 (Freon-12) is. Een koelkast bevat een elektrisch aangedreven compressor die werkt op Freon gas. De rollen buiten de ijskast staan Freon toe om hitte vrij te geven wanneer het condenseert, en de rollen binnen de ijskast staan Freon toe om hitte te absorberen aangezien het verdampt. Figuur 5 toont de faseovergangen van Freon en de bijbehorende warmte-uitwisseling gebeurtenissen die plaatsvinden tijdens de koelcyclus.,
 |
|
 |
Klik op de roze knop om een QuickTime-film toont een animatie van de koel-cyclus. |
|
|
de hierboven beschreven cyclus loopt niet continu, maar wordt geregeld door een thermostaat., Wanneer de temperatuur in de koelkast boven de ingestelde temperatuur stijgt, start de thermostaat de compressor. Zodra de koelkast onder de ingestelde temperatuur is gekoeld, wordt de compressor uitgeschakeld. Met dit regelmechanisme kan de koelkast elektriciteit besparen door slechts zoveel te draaien als nodig is om de koelkast op de gewenste temperatuur te houden.
samenvatting
koelkasten zijn in wezen warmtemotoren die achteruit werken. Terwijl een warmtemotor warmte omzet in werk, omgekeerde warmte motoren omzetten werk in warmte., In de koelkast wordt de opgewekte warmte overgebracht naar de buitenkant van de koelkast. Om de koelkast te koelen, is een” werkstof”, of” koelmiddel”, zoals Freon vereist. De koelkast werkt met behulp van een cyclus van compressie en expansie op de Freon. Het werk aan de Freon wordt gedaan door een compressor, en de Freon geeft warmte af aan de lucht buiten de koelkast (als het de exotherme condensatie ondergaat van een gas naar een vloeistof)., Om het gasvormige Freon voor compressie te regenereren, gaat het Freon door een interne spoel, waar het de endotherme verdamping ondergaat van de vloeibare fase naar de gasvormige fase. Dit endotherme proces zorgt ervoor dat de Freon warmte absorbeert uit de lucht in de koelkast, waardoor de koelkast wordt afgekoeld.
aanvullende Links:
- voor meer uitleg over hoe koelkasten werken, zie deze site van “How Stuff Works,” door Marshall Brian.
Brown, Lemay en Bursten. Chemistry: the Central Science, 7th ed., blz. 395-98.
Petrucci en Harwood., General Chemistry, 7th ed. 435, 699-701, 714-15. Dankbetuigingen:
De auteurs danken Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor en Carolyn Herman voor vele nuttige suggesties bij het schrijven van deze tutorial.
de ontwikkeling van deze tutorial werd ondersteund door een beurs van het Howard Hughes Medical Institute, via het Undergraduate Biological Sciences Education program, Grant HHMI# 71199-502008 aan Washington University.