Холодильник смеси
Холодильная смесь — это смесь двух или более фаз в химической системе, которая, пока ни одна из фаз не израсходована полностью во время уравновешивания, достигает равновесной температуры , которая не зависит от начальной температуры фаз перед их смешиванием. Равновесная температура также не зависит от количества используемых фаз, пока присутствует достаточное количество каждой из них для достижения равновесия без потребления одной или нескольких фаз.
Лед
[ редактировать ]Например, жидкая вода и лед образуют охлаждающую смесь при температуре 0 °C или 32 °F. Эту смесь когда-то использовали для определения 0 °C. Эта температура теперь определяется как тройная точка Воды с четко определенными соотношениями изотопов . Смесь хлорида аммония , воды и льда образует охлаждающую смесь при температуре около -17,8 ° C или 0 ° F. Эту смесь когда-то использовали для определения 0 °F . [1] [2]
Объяснение
[ редактировать ]Существование холодостойких смесей можно рассматривать как следствие правила фаз Гиббса , которое описывает соотношение в равновесии между количеством компонентов , числом сосуществующих фаз и числом степеней свободы, допускаемых условиями гетерогенного равновесия. В частности, при постоянном атмосферном давлении, в системе, содержащей C линейно независимых химических компонентов , если C +1 указано, что фазы присутствуют в равновесии, то система полностью детерминирована (степени свободы отсутствуют). То есть определяются температура и составы всех фаз. Так, например, в химической системе H 2 O-NaCl, состоящей из двух компонентов, одновременное присутствие трех фаз: жидкость, лед и гидрогалит может существовать только при атмосферном давлении и единственной температуре –21,2 °С. [ нужна ссылка ] . Приближение к равновесию охлажденной смеси включает самопроизвольное изменение температуры, вызванное преобразованием скрытого тепла в явное тепло , когда пропорции фаз корректируются с учетом уменьшения термодинамического потенциала, связанного с приближением к равновесию.
Другие примеры
[ редактировать ]Другие примеры охлаждающих смесей включают: [3]
| Материалы | Детали (б/б) [4] | Равновесная температура |
|---|---|---|
| Хлорид аммония (NH 4 Cl) | 5 | −12 °C / 10 °F / 261 К |
| Калийная селитра (KNO 3 ) | 5 | |
| Вода | 16 | |
| Хлорид аммония (NH 4 Cl) | 5 | −15,5 °C / 4 °F / 257,5 К |
| Вода | 16 | |
| Нитрат аммония (NH 4 NO 3 ) | 1 | −15,5 °C / 4 °F / 257,5 К |
| Вода | 1 | |
| Сульфат натрия (Na 2 SO 4 ) | 3 | −16 °C / 3 °F / 257 К |
| Разбавленная азотная кислота (HNO 3 ) | 2 | |
| Сульфат натрия (Na 2 SO 4 ) | 8 | −18 °C / 0 °F / 255 К |
| Соляная кислота (HCl) | 5 | |
| Снег/лед | 1 | −18 °C / 0 °F / 255 К |
| Хлорид натрия (NaCl) | 1 | |
| Снег/лед | 1 | −26 °C / −15 °F / 247 К |
| Гидроксид калия (КОН) | 1 | |
| Снег/лед | 1 | −51 °C / −60 °F / 222 К |
| Серная кислота , разбавленная (H 2 SO 4 ) | 1 | |
| Снег/лед | 2 | −55 °C / −67 °F / 218 К |
| Хлорид кальция (CaCl 2 ) | 3 | |
| Серная кислота, разбавленная (H 2 SO 4 ) | 10 | −68 °C / −90 °F / 205 К |
| Снег/лед | 8 |
Использование
[ редактировать ]Холодильную смесь можно использовать для получения жидкой среды, которая имеет воспроизводимую температуру ниже температуры окружающей среды. Такие смеси использовались для калибровки термометров . В химии охлаждающую ванну можно использовать для контроля температуры сильно экзотермической реакции.
Холодильную смесь можно использовать в качестве альтернативы механическому охлаждению . Например, чтобы соединить две обработанные металлические детали вместе, одну деталь помещают в охлаждающую смесь, заставляя ее сжиматься так, что ее можно легко вставить в неохлаждаемую вторую деталь; при нагревании две части плотно скрепляются. Другим примером является процесс Пайпера, использовавшийся во второй половине XIX века для замораживания и холодного хранения рыбы. [5]
Ограничения кислотно-основных растворов
[ редактировать ]Смеси, основанные на использовании кислотно-основных шламов, имеют ограниченную практическую ценность, помимо получения эталонов температуры плавления, поскольку энтальпия растворения присадки, понижающей температуру плавления, часто значительно выше (например, ΔH -57,61 кДж/моль для КОН), чем энтальпия плавления для сама вода (ΔH 6,02 кДж/моль); для справки: ΔH растворения NaCl составляет 3,88 кДж/моль. [6] Это приводит к тому, что полезная холодопроизводительность практически отсутствует или практически отсутствует при желаемых температурах, а температура конечной смеси оказывается выше, чем была вначале. Значения, заявленные в таблице, получены путем предварительного охлаждения и последующего объединения каждой последующей смеси в окружении смеси с предыдущим температурным приращением; смеси должны быть «сложены» друг в друга. [7] [4] [8]
Такие кислотно-основные жижи вызывают коррозию и поэтому создают проблемы при обращении с ними. Кроме того, их нелегко пополнить, поскольку объем смеси увеличивается с каждым добавлением хладагента; контейнер (будь то ванна или холодный палец ) со временем потребуется опорожнить и наполнить, чтобы он не переполнился. Это делает эти смеси в значительной степени непригодными для использования в синтетических приложениях, поскольку во время опорожнения контейнера не будет охлаждающей поверхности.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Паркер, Мэтью Т. (7 марта 2019 г.). Скромный Пи . Книги Риверхеда. п. 91.
- ^ «Шкала Фаренгейта [так в оригинале] » . Безграничный .
- ^ Соединенные Штаты. Армия. Артиллерийский отдел (1862 г.). Теодор Таддеус Собески Лейдли (ред.). Руководство по артиллерийскому вооружению для офицеров армии США (3-е изд.). Дж. Б. Липпинкотт и компания. стр. 462 .
- ^ Перейти обратно: а б Уокер, Ричард (1788). «Эксперименты по производству искусственного холода. Г-н Ричард Уокер, аптекарь больницы Рэдклиффа в Оксфорде. В письме Генри Кавендишу, эсквайру FRS и AS», «Философские труды Лондонского королевского общества» . 78 : 395–402. дои : 10.1098/rstl.1788.0027 .
- ^ Дункан Стейси (1986). История холодильных технологий в рыбной промышленности Западного побережья (PDF) . Серия отчетов на микрофишах 252. Окружающая среда Канады – Парки. стр. 1–2 . Проверено 17 мая 2024 г.
- ^ Энтальпия растворения аналитов, CRC
- ^ Грей, С. (1828). Оперативный химик. Лондон: Херст, Ченс. Страница 166.
- ^ Уокер, Р. и Уолл, М. (1795). Наблюдения о лучших способах получения искусственного холода. Г-н Ричард Уокер. Сообщение Мартина Уолла, Философские труды MDFRS Лондонского королевского общества, 85(0), стр.270-289.