|
Phasenänderungen und Kühlung: |
||
 |
Autoren: Rachel Casiday und Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, li)
- Phasen der Materie
- Fest
- Flüssig
- Gas
- Phasenübergänge
- Fusion/ Freezing
- Verdampfung/ Kondensation
- Sublimation/ Abscheidung
- li> Brechen oder Bildung intermolekularer Anziehungen in Phasenübergängen
- Änderung der Enthalpie (ΔH) von Phasenübergängen
- Kältezyklus
Verwandte Tutorials
- Bänder, Bindungen und Dotierung: Wie funktionieren LEDs?,
- Gasgesetze retten Leben: Die Chemie hinter Airbags
Einführung: Wärmemotoren und Kühlung
Die Kühlung hat große Fortschritte in unserer Fähigkeit ermöglicht, Lebensmittel und andere Substanzen über lange Zeiträume sicher zu lagern. Die gleiche Technologie zum Betrieb von Kühlschränken wird auch in Klimaanlagen verwendet. Wie funktioniert diese Technologie, um kühle Luft zu erzeugen, wenn die äußeren Bedingungen heiß sind?, Wie wir sehen werden, verlassen sich Kühlschränke (und Klimaanlagen) auf die thermodynamische Anwendung, die als Wärmekraftmaschine bekannt ist, sowie auf die molekularen Eigenschaften der in den Spulen des Kühlschranks enthaltenen Substanz.
Eine der wichtigsten praktischen Anwendungen der Prinzipien der Thermodynamik ist die Wärmekraftmaschine (Abbildung 1). In der Wärmekraftmaschine wird Wärme von einer „Arbeitssubstanz“ bei hoher Temperatur absorbiert und teilweise in Arbeit umgewandelt. Wärmekraftmaschinen sind niemals 100% effizient, da die verbleibende Wärme (d.h.,, die Wärme wird nicht in Arbeit umgewandelt) an die Umgebung abgegeben wird, die bei einer niedrigeren Temperatur sind. Die Dampfmaschinen, die verwendet werden, um frühe Züge und elektrische Generatoren anzutreiben, sind Wärmekraftmaschinen, in denen Wasser die Arbeitssubstanz ist. In einer umgekehrten Wärmekraftmaschine (Abbildung 2) tritt der gegenteilige Effekt auf. Die Arbeit wird in Wärme umgewandelt, die freigesetzt wird.
Abbildung 1
In einer Wärmekraftmaschine führt eine Wärmezufuhr zu einer Erhöhung der Temperatur der Arbeitssubstanz, wodurch die Arbeitssubstanz arbeiten kann., In diesem schematischen Diagramm ist die Arbeitssubstanz Wasser. Bei hoher Temperatur drückt gasförmiges Wasser (Dampf) einen Kolben, wodurch sich ein Rad dreht. Dies ist der wesentliche Mechanismus, mit dem dampfbetriebene Züge betrieben werden.
Abbildung 2
In einer rückwärtigen Wärmekraftmaschine wird ein Arbeitseingang in einen Wärmeausgang umgewandelt. In diesem Fall kondensiert die Arbeit (die durch Elektrizität erzeugt wird) gasförmiges Wasser (Dampf) und drückt es in eine Wärmeaustauschspule., In der Spule sinkt die Temperatur des Wassers, wenn es sich verflüssigt, und gibt Wärme an die Umgebung ab.
1851 wurde dem Florida-Arzt John Gorrie das erste US-Patent für eine Kühlmaschine erteilt, die eine rückwärtige Wärmekraftmaschine (Abbildung 2) als ersten Schritt in ihrem Betrieb verwendet. Gorrie, überzeugt, dass das Heilmittel für Malaria kalt war, weil Ausbrüche im Winter beendet wurden, versuchte, eine Maschine zu entwickeln, die im heißen Florida-Sommer Eis herstellen und das Zimmer eines Patienten kühlen konnte. In Dr., Gorries Kühlschrank, Luft wurde mit einer Pumpe komprimiert, wodurch die Temperatur der Luft anstieg (Arbeit gegen Wärme austauschen). Wenn diese Druckluft in einem Kaltwasserbad durch Rohre geleitet wird, wird die Wärme ins Wasser abgegeben. Die Luft durfte sich dann wieder auf atmosphärischen Druck ausdehnen, aber weil sie Wärme an das Wasser verloren hatte, war die Temperatur der Luft niedriger als zuvor und konnte zur Kühlung des Raumes verwendet werden.
Moderne Kühlschränke arbeiten nach dem gleichen Reverse-Heat-Motor-Prinzip, um Arbeit in Wärme umzuwandeln, verwenden jedoch andere Substanzen als Luft., Die Arbeitssubstanz in einem modernen Kühlschränke wird das Kühlmittel genannt; das Kühlmittel wechselt von Gas zu Flüssigkeit, wie es von höheren zu niedrigeren Temperatur geht. Dieser Wechsel von Gas zu Flüssigkeit ist ein Phasenübergang, und die bei diesem Übergang freigesetzte Energie hängt hauptsächlich von den intermolekularen Wechselwirkungen der Substanz ab.Um den in modernen Kühlschränken verwendeten Kältezyklus zu verstehen, müssen daher zunächst Phasenübergänge diskutiert werden.
Phasen und Phasenübergänge
Materie existiert hauptsächlich in drei verschiedenen Phasen (physikalischen Zuständen): fest, flüssig und Gas., Eine Phase ist eine Form von Materie, die in chemischer Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften einheitlich ist. Wie in Abbildung 3 gezeigt, hat eine Substanz in der festen Phase eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen; Eine Substanz in der flüssigen Phase hat keine bestimmte Form, sondern ein bestimmtes Volumen; Eine Substanz in der Gasphase hat keine bestimmte Form oder kein bestimmtes Volumen, sondern hat eine Form und ein bestimmtes Volumen, die durch die Form und Größe des Behälters bestimmt werden.,
Abbildung 3
Dieses schematische Diagramm zeigt die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften und der Partikelanordnung zwischen einer Substanz in der festen, flüssigen und Gasphase. In einem Feststoff sind die Partikel in einer starren Konfiguration verpackt, was der Substanz eine bestimmte Form und Größe verleiht. In einer Flüssigkeit sind die Partikel nahe beieinander, können sich aber in Bezug aufeinander bewegen, was der Substanz ein bestimmtes Volumen, aber eine flüssige Form verleiht., In einem Gas können die Partikel das gesamte Volumen des Behälters einnehmen, so dass ihre Form und ihr Volumen beide durch den Behälter definiert sind.
Molekulare (mikroskopische) Ansicht
Einer der Hauptunterschiede in den drei in Abbildung 3 dargestellten Phasen ist die Anzahl der intermolekularen Wechselwirkungen, die sie enthalten. Die Partikel in einem Feststoff interagieren mit allen ihren nächsten Nachbarn, die Partikel in einer Flüssigkeit interagieren nur mit einigen der nahe gelegenen Partikel, und die Partikel in einem Gas haben fast keine Wechselwirkung miteinander., Durch Brechen oder Bilden intermolekularer Wechselwirkungen kann sich eine Substanz von einer Phase in eine andere ändern. Beispielsweise kondensieren Gasmoleküle aufgrund attraktiver intermolekularer Kräfte zu Flüssigkeiten. Je stärker die Anziehungskräfte sind, desto größer ist die Stabilität der Flüssigkeit (was zu einer höheren Siedepunkttemperatur führt). Eine Veränderung des physikalischen Zustands der Materie wird als Phasenübergang bezeichnet. Die Namen der Phasenübergänge zwischen Feststoff, Flüssigkeit und Gas sind in Abbildung 4 dargestellt.,
Phasenübergänge ähneln chemischen Reaktionen, da sie jeweils eine zugehörige Enthalpieänderung aufweisen. Während eine chemische Reaktion das Brechen und Bilden von Bindungen innerhalb von Molekülen beinhaltet, beinhalten Phasenübergänge das Brechen oder Bilden intermolekularer Anziehungskräfte. Phasenübergänge, die das Brechen intermolekularer Anziehungen ( wie Fusion, Verdampfung und Sublimation) beinhalten, erfordern einen Energieeintrag, um die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen der Substanz zu überwinden., Phasenübergänge, die die Bildung intermolekularer Anziehungen ( wie Einfrieren, Kondensation und Ablagerung) beinhalten, setzen Energie frei, wenn die Partikel eine Niedrigerer-Energie-Konformation annehmen. Die Stärke der intermolekularen Anziehungen zwischen Molekülen und damit die Energiemenge, die zur Überwindung dieser Anziehungskräfte erforderlich ist (sowie die Energiemenge, die bei der Bildung der Anziehungen freigesetzt wird), hängen von den molekularen Eigenschaften der Substanz ab. Im Allgemeinen sind die Anziehungskräfte zwischen Molekülen umso stärker, je polarer ein Molekül ist., Daher benötigen mehr polare Moleküle typischerweise mehr Energie, um die intermolekularen Attraktionen zu überwinden, und setzen mehr Energie frei, indem sie intermolekulare Attraktionen bilden.,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., Der Pfeil rechts neben dem Diagramm zeigt, dass diese drei Phasen unterschiedliche Enthalpien aufweisen: Gas hat die höchste Enthalpie, Flüssigkeit eine Zwischenenthalpie und Feststoff die niedrigste Enthalpie.
Tabelle 1
Diese Tabelle zeigt das Vorzeichen der Enthalpieänderung für jeden der oben beschriebenen Phasenübergänge. Erinnern Sie sich daran, dass endotherme Prozesse eine positive Enthalpieänderung haben und exotherme Prozesse eine negative Enthalpieänderung haben.,
Thermodynamische (makroskopische) Ansicht
Zusätzlich zu der oben dargestellten mikroskopischen Ansicht können wir Phasenübergänge in Bezug auf makroskopische, thermodynamische Eigenschaften beschreiben. Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass die mikroskopischen und makroskopischen Ansichten voneinander abhängig sind; d. H. Die thermodynamischen Eigenschaften wie Enthalpie und Temperatur eines Stoffes hängen vom molekularen Verhalten des Stoffes ab.
Phasenübergänge gehen mit Veränderungen der Enthalpie und Entropie einher., In diesem Tutorial beschäftigen wir uns hauptsächlich mit Änderungen der Enthalpie. Die Energiewende, die beim Brechen oder Bilden intermolekularer Reize beteiligt ist, wird hauptsächlich in Form von Wärme zugeführt oder freigesetzt. Durch Hinzufügen von Wärme werden intermolekulare Attraktionen unterbrochen. Wie kommt das vor? Wärme ist eine Übertragung von Energie auf Moleküle, wodurch die Moleküle ihre Bewegung wie in der kinetischen Theorie der Gase beschrieben erhöhen und dadurch die intermolekularen Kräfte schwächen, die die Moleküle an Ort und Stelle halten., Wenn Moleküle Wärme verlieren, werden intermolekulare Attraktionen verstärkt; Wenn Wärme verloren geht, bewegen sich die Moleküle langsamer und können daher mehr mit anderen nahe gelegenen Molekülen interagieren.
Da Phasenänderungen im Allgemeinen bei konstantem Druck ( d. H. In einem zur Atmosphäre offenen Reaktionsgefäß) auftreten, kann die Wärme durch eine Änderung der Enthalpie beschrieben werden (ΔH=qp). Für Phasenübergänge, die das Brechen intermolekularer Anziehungen beinhalten, wird Wärme zugegeben und ΔH ist positiv, das System geht von einer niedrigenthalpischen Phase zu einer höher enthalpischen Phase (einem endothermen Prozess) über., Daher sind Fusion, Verdampfung und Sublimation alle endotherme Phasenübergänge. Bei Phasenübergängen, bei denen intermolekulare Anziehungen gebildet werden, wird Wärme freigesetzt und ΔH ist negativ, da das System von einer höher enthalpischen Phase zu einer niedrigenthalpischen Phase (einem exothermen Prozess) übergeht. Daher sind Einfrieren, Kondensation und Ablagerung alle exothermen Phasenübergänge. Die Enthalpieänderung für jeden der Phasenübergangsprozesse in Abbildung 4 ist in Tabelle 1 oben dargestellt.,
Die Enthalpieänderung von Phasenübergängen kann auch verwendet werden, um Unterschiede in Schmelzpunkten und Siedepunkten von Substanzen zu erklären. Bei einem gegebenen Druck hat eine Substanz einen charakteristischen Temperaturbereich, bei dem sie Phasenübergänge durchläuft; Beispielsweise ist der Schmelzpunkt die Temperatur, bei der sich eine Substanz von der festen Phase in die flüssige Phase ändert, und der Siedepunkt ist die Temperatur, bei der sich eine Substanz von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase ändert., Im Allgemeinen ist die Temperatur, bei der die Substanz den Phasenübergang durchläuft, umso höher, je größer die Enthalpieänderung für einen Phasenübergang ist. Beispielsweise benötigen Flüssigkeiten mit starken intermolekularen Attraktionen mehr Wärme zum Verdampfen als Flüssigkeiten mit schwachen intermolekularen Attraktionen; Daher ist der Siedepunkt (Verdampfungspunkt) für diese Flüssigkeiten höher als für die Flüssigkeiten mit schwächeren intermolekularen Attraktionen.
Refrigeration
Nun werden wir unser Verständnis von Wärmekraftmaschinen und Phasenübergängen nutzen, um zu erklären, wie Kühlschränke funktionieren., Die mit Phasenübergängen verbundenen Enthalpieänderungen können von einer Wärmekraftmaschine (Abbildung 1) verwendet werden, um Arbeiten durchzuführen und Wärme zwischen der Substanz, die einen Phasenübergang durchläuft, und ihrer Umgebung zu übertragen. In einer Wärmekraftmaschine absorbiert eine „Arbeitssubstanz“ Wärme bei hoher Temperatur und wandelt einen Teil dieser Wärme in Arbeit um. In einem sekundären Prozess wird der Rest der Wärme bei einer niedrigeren Temperatur an die Umgebung abgegeben, da die Wärmekraftmaschine nicht 100% effizient ist.
Wie in Abbildung 2 gezeigt, kann ein Kühlschrank als Wärmekraftmaschine in umgekehrter Richtung gedacht werden., Die Kühlwirkung in einem Kühlschrank wird durch einen Kondensations-und Verdampfungskreislauf des Kühlmittels erreicht, bei dem es sich üblicherweise um die ungiftige Verbindung CCl2F2 (Freon-12) handelt. Ein Kühlschrank enthält einen elektrisch betriebenen Kompressor, der mit Freongas arbeitet. Spulen außerhalb des Kühlschranks ermöglichen es Freon, Wärme abzugeben, wenn es kondensiert, und Spulen im Kühlschrank ermöglichen es Freon, Wärme zu absorbieren, wenn es verdampft. Abbildung 5 zeigt die Phasenübergänge von Freon und die damit verbundenen Wärmeaustauschereignisse, die während des Kältezyklus auftreten.,
 |
|
 |
Klicken Sie auf die rosa Schaltfläche, um einen QuickTime-Film zeigt eine animation des kühlzyklus. |
|
|
Der oben beschriebene Zyklus läuft nicht kontinuierlich, sondern wird von einem Thermostat gesteuert., Wenn die Temperatur im Kühlschrank über die eingestellte Temperatur ansteigt, startet der Thermostat den Kompressor. Sobald der Kühlschrank unter die eingestellte Temperatur gekühlt wurde, wird der Kompressor ausgeschaltet. Dieser Steuermechanismus ermöglicht es dem Kühlschrank, Strom zu sparen, indem er nur so viel läuft, wie nötig ist, um den Kühlschrank auf der gewünschten Temperatur zu halten.
Zusammenfassung
Kühlschränke sind im Wesentlichen Wärmemotoren, die rückwärts arbeiten. Während eine Wärmekraftmaschine Wärme in Arbeit umwandelt, wandeln umgekehrte Wärmekraftmaschinen Arbeit in Wärme um., Im Kühlschrank wird die erzeugte Wärme auf die Außenseite des Kühlschranks übertragen. Um den Kühlschrank zu kühlen, ist eine „Arbeitssubstanz“ oder „Kühlmittel“ wie Freon erforderlich. Der Kühlschrank arbeitet mit einem Zyklus von Kompression und Expansion auf dem Freon. Die Arbeit am Freon erfolgt durch einen Kompressor, und das Freon gibt Wärme an die Luft außerhalb des Kühlschranks ab (da es die exotherme Kondensation von einem Gas zu einer Flüssigkeit durchläuft)., Um das gasförmige Freon zur Kompression zu regenerieren, durchläuft das Freon eine innere Spule, wo es von der flüssigen Phase zur gasförmigen Phase endotherm verdampft wird. Dieser endotherme Prozess bewirkt, dass das Freon Wärme aus der Luft im Kühlschrank aufnimmt und den Kühlschrank kühlt.
Zusätzliche Links:
- Weitere Erklärungen zur Funktionsweise von Kühlschränken finden Sie auf dieser Seite von „How Stuff Works“ von Marshall Brian.
Brown, Lemay, und Bursten. Chemie: Die zentrale Wissenschaft, 7. Aufl., S. 395-98.
Petrucci und Harwood., Allgemeine Chemie, 7. Aufl., s. 435, 699-701, 714-15.
Impressum:
Die Autoren danken Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor Carolyn Herman für viele hilfreiche Anregungen, die in die Erstellung dieses Tutorials.
Die Entwicklung dieses Tutorials wurde durch ein Stipendium des Howard Hughes Medical Institute durch das Undergraduate Biological Sciences Education Program, Grant HHMI# 71199-502008 an die Washington University, unterstützt.