Mieszanka chłodząca
Mieszanina chłodnicza to mieszanina dwóch lub więcej faz w układzie chemicznym, która dopóki żadna z faz nie zostanie całkowicie zużyta podczas równoważenia, osiąga temperaturę równowagi niezależną od temperatury początkowej faz przed ich zmieszaniem. Temperatura równowagi jest również niezależna od ilości użytych faz, o ile obecne są wystarczające ilości każdej z nich, aby osiągnąć równowagę bez zużywania jednej lub więcej.
lód
Na przykład ciekła woda i lód tworzą mieszaninę oziębiającą w temperaturze 0 ° C lub 32 ° F. Ta mieszanina była kiedyś używana do zdefiniowania 0 ° C. Ta temperatura jest teraz definiowana jako punkt potrójny wody z dobrze zdefiniowanymi stosunkami izotopów . Mieszanina chlorku amonu , wody i lodu tworzy mieszaninę chłodzącą w temperaturze około -17,8 ° C lub 0 ° F. Ta mieszanina była kiedyś używana do określenia 0 ° F.
Wyjaśnienie
Istnienie mieszanin chłodniczych można postrzegać jako konsekwencję reguły fazowej Gibbsa , która opisuje zależność w równowadze między liczbą składników , liczbą współistniejących faz i liczbą stopni swobody dozwolonych przez warunki heterogenicznej równowagi. Konkretnie, przy stałym ciśnieniu atmosferycznym, w układzie zawierającym C liniowo niezależnych składników chemicznych , jeśli określono, że fazy C +1 są obecne w równowadze, to układ jest w pełni określony (nie ma stopni swobody). Oznacza to, że określa się temperaturę i skład wszystkich faz. Tak więc, na przykład, w układzie chemicznym H 2 O-NaCl, który składa się z dwóch składników, jednoczesna obecność trzech faz ciekłej, lodu i hydrohalogenu może istnieć tylko pod ciśnieniem atmosferycznym w wyjątkowej temperaturze –21,2 °C [ potrzebne źródło ] . Zbliżanie się do równowagi mieszaniny lodowej obejmuje spontaniczną zmianę temperatury napędzaną konwersją ciepła utajonego w ciepło jawne , gdy proporcje faz dostosowują się, aby uwzględnić spadek potencjału termodynamicznego związany ze zbliżaniem się do równowagi.
Inne przykłady
Inne przykłady mieszanek chłodniczych obejmują:
| Materiały | Części (w/w) | Temperatura równowagi |
|---|---|---|
| Chlorek amonu (NH 4 Cl) | 5 | −12°C / 10°F / 261 K |
| Azotan potasu (KNO 3 ) | 5 | |
| Woda | 16 | |
| Chlorek amonu (NH 4 Cl) | 5 | −15,5 ° C / 4 ° F / 257,5 K |
| Woda | 16 | |
| Azotan amonu (NH 4 NO 3 ) | 1 | −15,5 ° C / 4 ° F / 257,5 K |
| Woda | 1 | |
| Siarczan sodu (Na 2 SO 4 ) | 3 | −16 ° C / 3 ° F / 257 K |
| Rozcieńczony kwas azotowy (HNO 3 ) | 2 | |
| Siarczan sodu (Na 2 SO 4 ) | 8 | −18°C / 0°F / 255 K |
| Kwas solny (HCl) | 5 | |
| Lód Śnieg | 1 | −18°C / 0°F / 255 K |
| Sól kuchenna (NaCl) | 1 | |
| Lód Śnieg | 1 | −26°C / −15°F / 247 K |
| Wodorotlenek potasu , Krystalizowany (KOH) | 1 | |
| Lód Śnieg | 1 | −51 °C / −60 °F / 222 K |
| Kwas siarkowy , rozcieńczony (H 2 SO 4 ) | 1 | |
| Lód Śnieg | 2 | −55 °C / −67 °F / 218 K |
| Chlorek wapnia (CaCl 2 ) | 3 | |
| Kwas siarkowy, rozcieńczony (H 2 SO 4 ) | 10 | −68 °C / −90 °F / 205 K |
| Lód Śnieg | 8 |
Używa
Mieszaninę chłodniczą można zastosować do uzyskania ciekłego ośrodka o powtarzalnej temperaturze poniżej temperatury otoczenia. Takie mieszaniny stosowano do kalibracji termometrów . W chemii kąpiel chłodząca może być stosowana do kontrolowania temperatury reakcji silnie egzotermicznej .
Mieszanka chłodząca może być stosowana jako alternatywa dla chłodzenia mechanicznego . Na przykład, aby dopasować do siebie dwie obrobione części metalowe, jedną część umieszcza się w mieszaninie chłodzącej, powodując jej kurczenie się, dzięki czemu można ją łatwo włożyć do niechłodzonej drugiej części; podczas podgrzewania obie części są mocno trzymane razem.
Ograniczenia osadów kwaśno-zasadowych
Mieszaniny oparte na zawiesinach kwasowo-zasadowych mają ograniczoną wartość praktyczną wykraczającą poza tworzenie wzorców temperatury topnienia, ponieważ entalpia rozpuszczania środka obniżającego temperaturę topnienia jest często znacznie większa (np. ΔH -57,61 kJ/mol dla KOH) niż entalpia topnienia dla sama woda (ΔH 6,02 kJ/mol); dla porównania, ΔH dla rozpuszczenia NaCl wynosi 3,88 kJ/mol. Skutkuje to niewielką lub żadną wydajnością chłodzenia netto przy żądanych temperaturach i końcową temperaturą mieszanki, która jest wyższa niż na początku. Wartości podane w tabeli uzyskuje się przez wstępne schłodzenie, a następnie połączenie każdej kolejnej mieszaniny z mieszaniną o poprzednim wzroście temperatury; mieszanki muszą być „ułożone” jedna w drugiej.
Takie zawiesiny kwaśno-zasadowe są żrące i dlatego stwarzają problemy przy manipulowaniu. Dodatkowo nie można ich łatwo uzupełnić, ponieważ objętość mieszaniny zwiększa się z każdym dodaniem czynnika chłodniczego; pojemnik (czy to kąpiel, czy zimny palec ) będzie ostatecznie wymagał opróżnienia i ponownego napełnienia, aby zapobiec przepełnieniu. To sprawia, że mieszaniny te w dużej mierze nie nadają się do stosowania w zastosowaniach syntetycznych, ponieważ podczas opróżniania pojemnika nie będzie powierzchni chłodzącej.
Zobacz też
- ^ Parker, Matthew T. (7 marca 2019). Skromny Pi . Książki Riverheada. P. 91.
- ^ „ Skala Farenheita [sic] ” . Bezgraniczny .
- ^ Stany Zjednoczone. Armia. Departament Ordnance (1862). Theodore Thaddeus Sobieski Laidley (red.). Podręcznik uzbrojenia do użytku oficerów armii Stanów Zjednoczonych (wyd. 3). JB Lippincott & Company. s. 462 .
- ^ Walker R. (1788). Eksperymenty nad produkcją sztucznego zimna. Pan Richard Walker, aptekarz szpitala Radcliffe w Oksfordzie. W liście do Henry'ego Cavendisha, Esq. FRS i AS Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 78 (0), s. 395-402.
- ^ Entalpia roztworu analitów, CRC
- ^ Szary, S. (1828). Chemik operacyjny. Londyn: Hurst, szansa. Strona 166.
- ^ Walker R. (1788). Eksperymenty nad produkcją sztucznego zimna. Pan Richard Walker, aptekarz szpitala Radcliffe w Oksfordzie. W liście do Henry'ego Cavendisha, Esq. FRS i AS Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 78 (0), s. 395-402.
- ^ Walker R. i Ściana M. (1795). Spostrzeżenia na temat najlepszych metod wytwarzania sztucznego zimna. Przez pana Richarda Walkera. Przekazał Martin Wall, MDFRS Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 85(0), s. 270-289.