|
Schimbări de Fază și de Refrigerare: |
||
 |
Autori: Rachel Casiday și Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Frigidere)
- Faze
- Solide
- Lichid
- Gaz
- Tranziții de Fază
- de Fuziune/ Congelare
- Vaporizare/ Condensare
- Sublimare/ Depunerea
- Ruperea sau Formarea de Intermoleculare Atracții în Tranziții de Fază
- Schimbarea în Entalpie (ΔH) de Tranziții de Fază
- Ciclul de Refrigerare
Tutoriale Legate
- Benzi, Obligațiuni, și de Doping: Cum Led-uri de Lucru?,
- legile gazelor salvează vieți: chimia din spatele airbag-urilor
Introducere: motoarele termice și refrigerarea
refrigerarea a permis progrese mari în capacitatea noastră de a stoca alimente și alte substanțe în siguranță pentru perioade lungi de timp. Aceeași tehnologie utilizată pentru a rula frigidere este utilizată și în aparatele de aer condiționat. Cum funcționează această tehnologie pentru a produce aer rece atunci când condițiile externe sunt fierbinți?, După cum vom vedea, frigiderele (și aparatele de aer condiționat) se bazează pe aplicația termodinamică cunoscută sub numele de motorul termic, precum și pe proprietățile moleculare ale substanței conținute în bobinele frigiderului. una dintre cele mai importante aplicații practice ale principiilor termodinamicii este motorul termic (Figura 1). În motorul termic, căldura este absorbită dintr-o” substanță de lucru ” la temperaturi ridicate și transformată parțial în muncă. Motoarele termice nu sunt niciodată 100% eficiente, deoarece căldura rămasă ( adică.,, căldura nu este transformată în muncă) este eliberată în împrejurimi, care se află la o temperatură mai scăzută. Motoarele cu aburi utilizate pentru alimentarea trenurilor timpurii și a generatoarelor electrice sunt motoare termice în care apa este substanța de lucru. Într-un motor termic invers (Figura 2), apare efectul opus. Munca este transformată în căldură, care este eliberată.
Figura 1
Într-un motor termic, o intrare de căldură determină o creștere a temperaturii de lucru substanță, care permite de lucru substanță pentru a efectua munca., În această diagramă schematică, substanța de lucru este apa. La temperaturi ridicate, apa gazoasă (abur) împinge un piston, ceea ce face ca o roată să se rotească. Acesta este mecanismul esențial prin care funcționează trenurile cu aburi.
Figura 2
Într-o reverse motor termic, un lucru de intrare este convertit la o temperatură de ieșire. În acest caz, lucrarea (generată de electricitate) condensează apa gazoasă (abur) și o împinge într-o bobină de schimb de căldură., În bobină, temperatura apei scade pe măsură ce se lichefiază, eliberând căldură în mediul înconjurător. în 1851, medicul din Florida John Gorrie a primit primul brevet american pentru o mașină de refrigerare, care utilizează un motor termic invers (Figura 2) ca prim pas în funcționarea sa. Gorrie, convins că leacul pentru malarie a fost rece, deoarece focarele au fost terminate în timpul iernii, a căutat să dezvolte o mașină care să poată face gheață și să răcească camera unui pacient în vara fierbinte din Florida. În Dr., Frigiderul lui Gorrie, aerul a fost comprimat folosind o pompă, ceea ce a determinat creșterea temperaturii aerului (schimbul de lucru pentru căldură). Rularea acestui Aer comprimat prin conducte într-o baie de apă rece a eliberat căldura în apă. Aerul a fost apoi lăsat să se extindă din nou la presiunea atmosferică, dar pentru că pierduse căldură în apă, temperatura aerului era mai mică decât înainte și putea fi folosită pentru răcirea camerei. frigiderele moderne funcționează după același principiu al motorului termic invers al transformării muncii în căldură, dar utilizează alte substanțe decât aerul., Substanța de lucru dintr-un frigider modern se numește lichid de răcire; lichidul de răcire se schimbă de la gaz la lichid, pe măsură ce trece de la temperaturi mai mari la cele mai scăzute. Această schimbare de la gaz la lichid este o tranziție de fază, iar energia eliberată la această tranziție depinde în principal de interacțiunile intermoleculare ale substanței.Prin urmare, pentru a înțelege ciclul de refrigerare utilizat în frigiderele moderne, este necesar să discutăm mai întâi tranzițiile de fază.
faze și tranziții de fază
Materia există în principal în trei faze diferite (stări fizice): solid, lichid și gaz., O fază este o formă de materie care este uniformă în compoziția chimică și proprietățile fizice. După cum se arată în Figura 3, o substanță în faza solidă are o formă și un volum definit; o substanță în faza lichidă nu are o formă definită, dar are un volum definit; o substanță în faza gazoasă nu are o formă sau un volum definit, dar are o formă și un volum determinat de forma și dimensiunea recipientului.,
Figura 3
Această schemă arată diferențe în proprietățile fizice și particule aranjament între o substanță în solide, lichide și gaze faze. Într-un solid, particulele sunt ambalate într-o configurație rigidă, dând substanței o formă și o dimensiune definită. Într-un lichid, particulele sunt apropiate, dar se pot mișca unele față de altele, dând substanței un volum definit, dar o formă fluidă., Într-un gaz, particulele pot ocupa întregul volum al containerului, astfel încât forma și volumul lor sunt ambele definite de container.
vedere moleculară (microscopică)
una dintre diferențele majore în cele trei faze ilustrate în Figura 3 este numărul de interacțiuni intermoleculare pe care le conțin. Particulele dintr-un solid interacționează cu toți vecinii cei mai apropiați, particulele dintr-un lichid interacționează doar cu unele dintre particulele din apropiere, iar particulele dintr-un gaz nu au aproape nicio interacțiune între ele., Prin ruperea sau formarea interacțiunilor intermoleculare, o substanță se poate schimba de la o fază la alta. De exemplu, moleculele de gaz se condensează pentru a forma lichide datorită prezenței forțelor intermoleculare atractive. Cu cât forțele atractive sunt mai puternice, cu atât este mai mare stabilitatea lichidului (ceea ce duce la o temperatură mai mare a punctului de fierbere). O schimbare a stării fizice a materiei se numește tranziție de fază. Denumirile tranzițiilor de fază între solid, lichid și gaz sunt prezentate în Figura 4., tranzițiile de fază sunt similare cu reacțiile chimice, deoarece fiecare are o modificare asociată a entalpiei. În timp ce o reacție chimică implică ruperea și formarea legăturilor în molecule, tranzițiile de fază implică ruperea sau formarea forțelor atractive intermoleculare. Tranzițiile de fază care implică ruperea atracțiilor intermoleculare (cum ar fi fuziunea, vaporizarea și sublimarea) necesită o intrare de energie pentru a depăși forțele atractive dintre particulele substanței., Tranzițiile de fază care implică formarea atracțiilor intermoleculare (cum ar fi înghețarea, condensarea și depunerea) eliberează energie pe măsură ce particulele adoptă o conformație energetică mai mică. Rezistența atracțiilor intermoleculare între molecule și, prin urmare, cantitatea de energie necesară pentru a depăși aceste forțe atractive (precum și cantitatea de energie eliberată atunci când se formează atracțiile) depinde de proprietățile moleculare ale substanței. În general, cu cât o moleculă este mai polară, cu atât sunt mai puternice forțele atractive dintre molecule., Prin urmare, mai multe molecule polare necesită de obicei mai multă energie pentru a depăși atracțiile intermoleculare și pentru a elibera mai multă energie prin formarea atracțiilor intermoleculare.,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., Săgeata din dreapta diagramei demonstrează că aceste trei faze au entalpii diferite: gazul are cea mai mare entalpie, lichidul are o entalpie intermediară, iar solidul are cea mai mică entalpie.
Tabelul 1
acest tabel arată semnul modificării entalpiei pentru fiecare dintre tranzițiile de fază descrise mai sus. Reamintim că procesele endotermice au o schimbare pozitivă a entalpiei, iar procesele exoterme au o schimbare negativă a entalpiei.,
vedere Termodinamică (macroscopică)
pe lângă vederea microscopică prezentată mai sus, putem descrie tranzițiile de fază în termeni de proprietăți termodinamice macroscopice. Este important să se aibă în vedere faptul că punctele de vedere microscopice și macroscopice sunt interdependente; adică, proprietățile termodinamice, cum ar fi entalpia și temperatura, a unei substanțe sunt dependente de comportamentul molecular al substanței. tranzițiile de fază sunt însoțite de modificări ale entalpiei și entropiei., În acest tutorial, ne vom preocupa în principal de schimbările în entalpie. Schimbarea de energie implicată în ruperea sau formarea atracțiilor intermoleculare este furnizată sau eliberată în principal sub formă de căldură. Adăugarea de căldură face ca atracțiile intermoleculare să fie rupte. Cum se întâmplă acest lucru? Căldura este un transfer de energie către molecule, determinând moleculele să-și mărească mișcarea așa cum este descris de teoria cinetică a gazelor și slăbind astfel forțele intermoleculare care țin moleculele în loc., De asemenea, atunci când moleculele pierd căldură, atracțiile intermoleculare sunt întărite; pe măsură ce căldura este pierdută, moleculele se mișcă mai lent și, prin urmare, pot interacționa mai mult cu alte molecule din apropiere. deoarece schimbările de fază apar în general la presiune constantă (adică într-un vas de reacție deschis atmosferei), căldura poate fi descrisă printr-o modificare a entalpiei (ΔH=qp). Pentru tranzițiile de fază care implică ruperea atracțiilor intermoleculare, se adaugă căldură și ΔH este pozitiv, sistemul trece de la o fază de entalpie inferioară la o fază de entalpie superioară (un proces endotermic)., Prin urmare, fuziunea, vaporizarea și sublimarea sunt toate tranziții de fază endotermice. Pentru tranzițiile de fază care implică formarea atracțiilor intermoleculare, căldura este eliberată și ΔH este negativă, deoarece sistemul trece de la o fază de entalpie superioară la o fază de entalpie inferioară (un proces exoterm). Prin urmare, înghețarea, condensarea și depunerea sunt toate tranziții de fază exoterme. Modificarea entalpiei pentru fiecare dintre procesele de tranziție de fază din Figura 4 este prezentată în tabelul 1 de mai sus., schimbarea entalpiei tranzițiilor de fază poate fi, de asemenea, utilizată pentru a explica diferențele dintre punctele de topire și punctele de fierbere ale substanțelor. La o presiune dată, o substanță are o caracteristică interval de temperaturi la care este supus tranziții de fază; de exemplu, punctul de topire este temperatura la care o substanță modificări de fază solidă pentru faza lichidă și punctul de fierbere este temperatura la care o substanță se schimbă de la faza lichidă la faza gazoasă., În general, cu cât este mai mare schimbarea entalpiei pentru o tranziție de fază, cu atât este mai mare temperatura la care substanța suferă tranziția de fază. De exemplu, lichidele cu atracții intermoleculare puternice necesită mai multă căldură pentru vaporizare decât lichidele cu atracții intermoleculare slabe; prin urmare, punctul de fierbere (punctul de vaporizare) pentru aceste lichide va fi mai mare decât pentru lichidele cu atracții intermoleculare mai slabe.
refrigerare
acum, vom folosi înțelegerea noastră a motoarelor termice și a tranzițiilor de fază pentru a explica modul în care funcționează frigiderele., Modificările entalpiei asociate tranzițiilor de fază pot fi utilizate de un motor termic (Figura 1) pentru a efectua lucrări și pentru a transfera căldură între substanța care trece printr-o tranziție de fază și mediul înconjurător. Într-un motor termic, o „substanță de lucru” absoarbe căldura la o temperatură ridicată și transformă o parte din această căldură în muncă. Într-un proces secundar, restul căldurii este eliberat în împrejurimi la o temperatură mai scăzută, deoarece motorul termic nu este 100% eficient. după cum se arată în Figura 2, un frigider poate fi gândit ca un motor termic în sens invers., Efectul de răcire într-un frigider se realizează printr-un ciclu de condensare și vaporizare a lichidului de răcire, care de obicei este compusul netoxic CCl2F2 (Freon-12). Un frigider conține un compresor electric care funcționează pe gaz Freon. Bobinele din afara frigiderului permit freonului să elibereze căldură atunci când se condensează, iar bobinele din interiorul frigiderului permit freonului să absoarbă căldura pe măsură ce se vaporizează. Figura 5 prezintă tranzițiile de fază ale freonului și evenimentele asociate schimbului de căldură care au loc în timpul ciclului de refrigerare.,
 |
|
 |
Click pe butonul roz pentru a vizualiza un film QuickTime arată o animație de ciclul de refrigerare. |
|
|
ciclul descris mai sus nu funcționează continuu, ci este controlat de un termostat., Când temperatura din interiorul frigiderului crește peste temperatura setată, termostatul pornește compresorul. După ce frigiderul a fost răcit sub temperatura setată, compresorul este oprit. Acest mecanism de control permite frigiderului să conserve energia electrică funcționând doar atât cât este necesar pentru a menține frigiderul la temperatura dorită.
rezumat
frigiderele sunt, în esență, motoare termice care funcționează în sens invers. În timp ce un motor termic transformă căldura în muncă, motoarele termice inverse transformă munca în căldură., În frigider, căldura generată este transferată în exteriorul frigiderului. Pentru a răci frigiderul, este necesară o” substanță de lucru” sau „lichid de răcire”, cum ar fi freonul. Frigiderul funcționează utilizând un ciclu de compresie și expansiune pe Freon. Lucrul se face pe Freon printr-un compresor, iar freonul eliberează căldură în aerul din afara frigiderului (deoarece suferă condensarea exotermă de la un gaz la un lichid)., Pentru a regenera freonul gazos pentru compresie, freonul trece printr-o bobină internă, unde suferă vaporizarea endotermică de la faza lichidă la faza gazoasă. Acest proces endotermic face ca freonul să absoarbă căldura din aerul din interiorul frigiderului, răcind frigiderul.
legături suplimentare:
- Pentru mai multe explicații despre modul în care funcționează frigiderele, consultați acest site din „Cum funcționează lucrurile”, de Marshall Brian.
Brown, Lemay și Bursten. Chimie: știința Centrală, 7th ed., p. 395-98. Petrucci și Harwood., Chimie generală, ediția a 7-a., p. 435, 699-701, 714-15.
mulțumiri:
autorii mulțumesc Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor și Carolyn Herman pentru multe sugestii utile în scrierea acestui tutorial.
dezvoltarea acestui tutorial a fost susținută de un grant de la Institutul Medical Howard Hughes, prin studii de Licență Științe Biologice program de Educație, Grant HHMI# 71199-502008 la Universitatea Washington.