|
zmiany faz i chłodzenie: |
||
 |
autorzy: Rachel Casiday and Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Chłodziarki)
- fazy materii
- Ciało Stałe
- ciecz
- Gaz
- przejścia fazowe
- fuzja/ zamrażanie
- waporyzacja/ kondensacja
- sublimacja/ osadzanie
- łamanie lub tworzenie atrakcji międzycząsteczkowych w przejściach fazowych
- Zmiana entalpii (δh) przejść fazowych
- cykl chłodzenia
powiązane tutoriale
- pasma, wiązania i doping: jak działają diody LED?,
- Prawo gazowe ratują życie: Chemia za poduszkami powietrznymi
wprowadzenie: silniki cieplne i Chłodnictwo
Chłodnictwo pozwoliło na wielkie postępy w naszej zdolności do bezpiecznego przechowywania żywności i innych substancji przez długi czas. Ta sama technologia używana do uruchamiania lodówek jest również stosowana w klimatyzatorach. Jak działa ta technologia, aby wytwarzać chłodne powietrze, gdy warunki zewnętrzne są gorące?, Jak zobaczymy, lodówki (i klimatyzatory) opierają się na zastosowaniu termodynamicznym znanym jako silnik cieplny, a także na właściwościach molekularnych substancji zawartej w cewkach lodówki.
jednym z najważniejszych praktycznych zastosowań zasad termodynamiki jest silnik cieplny (Rys. 1). W silniku cieplnym ciepło jest absorbowane z „substancji roboczej” w wysokiej temperaturze i częściowo przekształcane do pracy. Silniki cieplne nigdy nie są w 100% sprawne, ponieważ pozostałe ciepło (tj.,, ciepło nie jest przekształcane do pracy) jest uwalniane do otoczenia, które znajduje się w niższej temperaturze. Silniki parowe używane do zasilania wczesnych pociągów i generatory elektryczne są silnikami cieplnymi, w których woda jest substancją roboczą. W odwrotnym silniku cieplnym (Rys. 2) występuje efekt odwrotny. Praca jest przekształcana w ciepło, które jest uwalniane.
Rysunek 1
w silniku cieplnym wejście ciepła powoduje wzrost temperatury substancji roboczej, umożliwiając jej wykonywanie pracy., Na tym schemacie substancją roboczą jest woda. W wysokiej temperaturze gazowa woda (para) popycha tłok, co powoduje obrót koła. Jest to podstawowy mechanizm, za pomocą którego działają pociągi o napędzie parowym.
Rysunek 2
w odwrotnym silniku cieplnym wejście robocze jest konwertowane na wyjście cieplne. W tym przypadku praca (wytwarzana przez elektryczność) skrapla gazową wodę (parę) i wpycha ją do cewki wymiany ciepła., W cewce temperatura wody obniża się w miarę upłynniania, uwalniając ciepło do środowiska.
w 1851 roku lekarz z Florydy John Gorrie otrzymał pierwszy amerykański Patent na maszynę chłodniczą, która jako pierwszy krok w swojej pracy wykorzystuje silnik odwróconego ciepła (Rys. 2). Gorrie, przekonany, że lekarstwo na malarię jest zimne, ponieważ ogniska zostały zakończone w zimie, starał się opracować maszynę, która mogłaby zrobić lód i ochłodzić pokój pacjenta w upalne lato na Florydzie. W Dr., Chłodziarka Gorrie ' ego, powietrze było sprężane za pomocą pompy, co powodowało wzrost temperatury powietrza (wymiana pracy na ciepło). Przepuszczanie sprężonego powietrza przez rury w łaźni z zimną wodą uwolniło ciepło do wody. Powietrze mogło następnie ponownie rozszerzyć się do ciśnienia atmosferycznego, ale ponieważ utraciło ciepło do wody, Temperatura powietrza była niższa niż wcześniej i mogła być wykorzystana do chłodzenia pomieszczenia.
nowoczesne lodówki działają na tej samej zasadzie odwrotnego ciepła-silnika konwersji pracy na ciepło, ale wykorzystują substancje inne niż powietrze., Substancja robocza w nowoczesnych lodówkach nazywa się chłodziwem; chłodziwo zmienia się z gazu w ciecz, gdy przechodzi z wyższej do niższej temperatury. Ta zmiana z gazu na ciecz jest przejściem fazowym, a energia uwalniana podczas tego przejścia zależy głównie od oddziaływań międzycząsteczkowych substancji.Dlatego, aby zrozumieć cykl chłodzenia stosowany w nowoczesnych lodówkach, konieczne jest najpierw omówienie przejść fazowych.
fazy i przejścia fazowe
Materia występuje głównie w trzech różnych fazach( stanach fizycznych): stałej, ciekłej i gazowej., Faza jest formą materii, która jest jednolita pod względem składu chemicznego i właściwości fizycznych. Jak pokazano na rysunku 3, substancja w fazie stałej ma określony kształt i objętość; substancja w fazie ciekłej nie ma określonego kształtu, ale ma określoną objętość; substancja w fazie gazowej nie ma określonego kształtu lub objętości, ale ma kształt i objętość określoną przez kształt i rozmiar pojemnika.,
Rysunek 3
Ten schemat przedstawia różnice w właściwościach fizycznych i ułożeniu cząstek między substancją w fazie stałej, ciekłej i gazowej. W ciele stałym cząstki są pakowane w sztywną konfigurację, nadając substancji określony kształt i rozmiar. W cieczy cząstki są blisko siebie, ale mogą poruszać się względem siebie, nadając substancji określonej objętości, ale kształt płynu., W gazie cząstki mogą zajmować całą objętość pojemnika, tak że ich kształt i objętość są zdefiniowane przez pojemnik.
Widok molekularny (Mikroskopowy)
jedną z głównych różnic w trzech fazach zilustrowanych na rysunku 3 jest liczba interakcji międzycząsteczkowych, które zawierają. Cząstki w ciele stałym oddziałują ze wszystkimi najbliższymi sąsiadami, cząstki w cieczy oddziałują tylko z niektórymi pobliskimi cząstkami, a cząstki w gazie prawie nie oddziałują ze sobą., Poprzez łamanie lub tworzenie interakcji międzycząsteczkowych, substancja może zmieniać się z jednej fazy do drugiej. Na przykład cząsteczki gazu kondensują się tworząc ciecze ze względu na obecność atrakcyjnych sił międzycząsteczkowych. Im silniejsze siły przyciągania, tym większa stabilność cieczy (co prowadzi do wyższej temperatury wrzenia). Zmiana stanu fizycznego materii nazywana jest przemianą fazową. Nazwy przejść fazowych między ciałem stałym, cieczą i gazem przedstawiono na rysunku 4.,
przejścia fazowe są podobne do reakcji chemicznych, ponieważ każda z nich ma związaną z nimi zmianę entalpii. Podczas gdy reakcja chemiczna obejmuje łamanie i tworzenie wiązań w cząsteczkach, przejścia fazowe obejmują łamanie lub tworzenie międzycząsteczkowych sił atrakcyjnych. Przejścia fazowe obejmujące łamanie atrakcji międzycząsteczkowych (takich jak fuzja, odparowanie i sublimacja) wymagają wkładu energii w celu przezwyciężenia siły przyciągania między cząstkami substancji., Przejścia fazowe obejmujące tworzenie atrakcji międzycząsteczkowych (takich jak zamrażanie, kondensacja i osadzanie) uwalniają energię, gdy cząstki przyjmują konformację o niższej energii. Siła międzycząsteczkowych atrakcji między cząsteczkami, a zatem ilość energii potrzebnej do przezwyciężenia tych przyciągających sił (a także ilość energii uwalnianej podczas tworzenia atrakcji) zależy od molekularnych właściwości substancji. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej polarna cząsteczka jest, tym silniejsze są siły przyciągania między cząsteczkami., Stąd więcej polarnych cząsteczek zazwyczaj wymaga więcej energii, aby przezwyciężyć atrakcje międzycząsteczkowe i uwolnić więcej energii, tworząc atrakcje międzycząsteczkowe.,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., Strzałka po prawej stronie diagramu pokazuje, że te trzy fazy mają różne entalpy: gaz ma najwyższą entalpię, ciecz ma średnią entalpię, a ciało stałe Ma najniższą entalpię.
Tabela 1
Ta tabela pokazuje znak zmiany entalpii dla każdego z opisanych powyżej przejść fazowych. Przypomnijmy, że procesy endotermiczne mają dodatnią zmianę entalpii, a procesy egzotermiczne mają ujemną zmianę entalpii.,
Widok termodynamiczny (makroskopowy)
oprócz przedstawionego powyżej widoku mikroskopowego możemy opisać przejścia fazowe pod względem makroskopowym, termodynamicznym. Ważne jest, aby pamiętać, że mikroskopowe i makroskopowe widoki są współzależne; to znaczy, właściwości termodynamiczne, takie jak entalpia i temperatura, substancji zależą od molekularnego zachowania substancji.
przemianom fazowym towarzyszą zmiany entalpii i entropii., W tym tutorialu zajmiemy się głównie zmianami w entalpii. Zmiana energii związana z łamaniem lub tworzeniem atrakcji międzycząsteczkowych jest przede wszystkim dostarczana lub uwalniana w postaci ciepła. Dodanie ciepła powoduje, że atrakcje międzycząsteczkowe są łamane. Jak to się dzieje? Ciepło jest transferem energii do cząsteczek, powodując, że cząsteczki zwiększają swój ruch, jak opisuje kinetyczna teoria gazów, a tym samym osłabiają siły międzycząsteczkowe utrzymujące cząsteczki w miejscu., Podobnie, gdy cząsteczki tracą ciepło, atrakcje międzycząsteczkowe są wzmacniane; gdy ciepło jest tracone, cząsteczki poruszają się wolniej i dlatego mogą wchodzić w interakcje z innymi pobliskimi cząsteczkami.
ponieważ zmiany fazowe na ogół zachodzą przy stałym ciśnieniu ( tj. w naczyniu reakcyjnym otwartym na atmosferę), ciepło może być opisane przez zmianę entalpii (ΔH=qp). W przypadku przejść fazowych obejmujących zerwanie atrakcji międzycząsteczkowych, dodaje się ciepło, a ΔH jest dodatnie, układ przechodzi z fazy dolnej entalpii do fazy wyższej entalpii (proces endotermiczny)., Stąd fuzja, waporyzacja i sublimacja są endotermicznymi przejściami fazowymi. W przypadku przejść fazowych obejmujących tworzenie atrakcji międzycząsteczkowych ciepło jest uwalniane, a ΔH jest ujemne, ponieważ układ przechodzi z fazy wyższej entalpii do fazy niższej entalpii (proces egzotermiczny). Dlatego zamrażanie, kondensacja i osadzanie są egzotermicznymi przejściami fazowymi. Zmiany entalpii dla każdego z procesów przejścia fazowego na rysunku 4 przedstawiono w tabeli 1 powyżej.,
zmiana entalpii przejść fazowych może być również wykorzystana do wyjaśnienia różnic w temperaturze topnienia i temperaturze wrzenia substancji. Przy danym ciśnieniu substancja ma charakterystyczny zakres temperatur, w których przechodzi przejścia fazowe; na przykład, temperatura topnienia to temperatura, w której substancja zmienia się z fazy stałej do fazy ciekłej, a temperatura wrzenia to temperatura, w której substancja zmienia się z fazy ciekłej do fazy gazowej., Ogólnie rzecz biorąc, im większa zmiana entalpii dla przejścia fazowego, tym wyższa temperatura, w której substancja przechodzi przemianę fazową. Na przykład ciecze o silnych atrakcjach międzycząsteczkowych wymagają więcej ciepła do odparowania niż ciecze o słabych atrakcjach międzycząsteczkowych; dlatego temperatura wrzenia (punkt parowania) dla tych cieczy będzie wyższa niż dla cieczy o słabszych atrakcjach międzycząsteczkowych.
chłodzenie
teraz wykorzystamy nasze zrozumienie silników cieplnych i przejść fazowych, aby wyjaśnić, jak działają lodówki., Zmiany entalpii związane z przejściami fazowymi mogą być wykorzystane przez silnik cieplny (Rysunek 1) do wykonywania pracy i przekazywania ciepła między substancją przechodzącą przemianę fazową a jej otaczającym środowiskiem. W silniku cieplnym „substancja robocza” pochłania ciepło w wysokiej temperaturze i przekształca część tego ciepła do pracy. W procesie wtórnym reszta ciepła jest uwalniana do otoczenia w niższej temperaturze, ponieważ silnik cieplny nie jest w 100% sprawny.
jak pokazano na rysunku 2, lodówka może być traktowana jako silnik cieplny w odwrotnej kolejności., Efekt chłodzenia w lodówce uzyskuje się przez cykl kondensacji i odparowania chłodziwa, którym zwykle jest nietoksyczny związek CCl2F2 (Freon-12). Lodówka zawiera sprężarkę zasilaną elektrycznie, która działa na gaz Freonowy. Cewki Na zewnątrz lodówki pozwalają Freonowi uwalniać ciepło, gdy się skrapla, a cewki wewnątrz lodówki pozwalają Freonowi absorbować ciepło podczas parowania. Rysunek 5 pokazuje przejścia fazowe freonu i związane z nimi zdarzenia wymiany ciepła, które występują podczas cyklu chłodzenia.,
 |
|
 |
kliknij różowy przycisk, aby wyświetlić film QuickTime przedstawiający animację cyklu chłodzenia. |
|
|
opisany powyżej cykl nie przebiega w sposób ciągły, ale jest kontrolowany przez termostat., Gdy temperatura wewnątrz lodówki wzrośnie powyżej zadanej temperatury, termostat uruchamia sprężarkę. Po schłodzeniu lodówki poniżej zadanej temperatury sprężarka jest wyłączana. Ten mechanizm sterowania pozwala chłodziarce oszczędzać energię elektryczną, uruchamiając tylko tyle, ile jest to konieczne, aby utrzymać lodówkę w pożądanej temperaturze.
podsumowanie
chłodziarki są zasadniczo silnikami cieplnymi pracującymi w trybie odwrotnym. Podczas gdy silnik cieplny zamienia ciepło na pracę, silniki cieplne odwrócone zamieniają pracę na ciepło., W lodówce wytwarzane ciepło jest przenoszone na zewnątrz lodówki. Aby schłodzić lodówkę, wymagana jest „substancja robocza” lub „chłodziwo”, takie jak Freon. Chłodziarka działa poprzez cykl kompresji i ekspansji na Freon. Praca jest wykonywana na Freonie przez sprężarkę, a Freon uwalnia ciepło do powietrza na zewnątrz lodówki (ponieważ ulega egzotermicznej kondensacji z gazu do cieczy)., Aby zregenerować gazowy Freon do sprężania, Freon przechodzi przez wewnętrzną cewkę, gdzie ulega endotermicznej waporyzacji z fazy ciekłej do fazy gazowej. Ten proces endotermiczny powoduje, że Freon absorbuje ciepło z powietrza wewnątrz lodówki, chłodząc lodówkę.
dodatkowe linki:
- aby dowiedzieć się więcej o tym, jak działają lodówki, zobacz tę stronę z „How Stuff Works” autorstwa Marshalla Briana.
Brown, Lemay, and Bursten. Chemia. Nauka Centralna. wydanie VII., str. 395-98.
Petrucci i Harwood., Chemia Ogólna, 7 wyd., str. 435, 699-701, 714-15.
podziękowania:
autorzy dziękują Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor i Carolyn Herman za wiele pomocnych sugestii w pisaniu tego samouczka.
rozwój tego poradnika był wspierany przez grant z Howard Hughes Medical Institute, poprzez program edukacji licencjackich Nauk Biologicznych, Grant HHMI# 71199-502008 na Washington University.