Замораживающая смесь представляет собой смесь из двух или более фаз в химической системе , которая, при условии , что ни одна из фаз не расходуются во время уравновешивания, достигает равновесия температуры , которая не зависит от начальной температуры фаз , прежде чем они смешиваются. Равновесная температура также не зависит от количества используемых фаз до тех пор, пока присутствует достаточное количество каждой из них для достижения равновесия без потребления одной или нескольких фаз.
Лед
Например, жидкая вода и лед образуют охлаждающую смесь при 0 ° C или 32 ° F. Эту смесь однажды использовали для определения 0 ° C. Эта температура в настоящее время определяются как тройная точка из воды с хорошо определенными изотопными отношениями . Смесь хлорида аммония , воды и льда образует охлаждающую смесь при температуре около -17,8 ° C или 0 ° F. Эту смесь однажды использовали для определения 0 ° F. [ необходима цитата ]
Объяснение
Существование охлаждающих смесей можно рассматривать как следствие правила фаз Гиббса , которое описывает равновесие между числом компонентов , числом сосуществующих фаз и числом степеней свободы, допускаемых условиями гетерогенного равновесия. В частности, при постоянном атмосферном давлении в системе, содержащей C линейно независимые химические компоненты , если указано, что фазы C +1 присутствуют в равновесии, то система полностью определена (нет степеней свободы). То есть определяется температура и состав всех фаз. Так, например, в химической системе H 2 O-NaCl, состоящей из двух компонентов, одновременное присутствие трех фаз - жидкости, льда и гидрогалита - может существовать только при атмосферном давлении и уникальной температуре –21,2 ° C [ необходимая цитата ] . Подход к равновесию охлаждающей смеси включает спонтанное изменение температуры, вызванное преобразованием скрытой теплоты в явную теплоту, поскольку пропорции фаз регулируются, чтобы приспособиться к уменьшению термодинамического потенциала, связанному с приближением к равновесию.
Другие примеры
Другие примеры охлаждающих смесей включают: [1]
Материалы | Детали (по весу) [2] | Равновесная температура |
---|---|---|
Хлорид аммония (NH 4 Cl) | 5 | −12 ° C / 10 ° F / 261 К |
Нитрат калия (KNO 3 ) | 5 | |
Воды | 16 | |
Хлорид аммония (NH 4 Cl) | 5 | -15,5 ° С / 4 ° F / 257,5 К |
Воды | 16 | |
Аммиачная селитра (NH 4 NO 3 ) | 1 | -15,5 ° С / 4 ° F / 257,5 К |
Воды | 1 | |
Сульфат натрия (Na 2 SO 4 ) | 3 | −16 ° С / 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 |
Поваренная соль (NaCl) | 1 | |
Снег / лед | 1 | −26 ° C / −15 ° F / 247 К |
Гидроксид калия кристаллический (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 |
Использует
Холодную смесь можно использовать для получения жидкой среды, которая имеет воспроизводимую температуру ниже температуры окружающей среды. Такие смеси использовались для калибровки термометров . В химии охлаждающая баня может использоваться для контроля температуры сильно экзотермической реакции.
В качестве альтернативы механическому охлаждению можно использовать охлаждающую смесь . Например, чтобы соединить две обработанные металлические детали вместе, одну деталь помещают в охлаждающую смесь, заставляя ее сжиматься, чтобы ее можно было легко вставить во вторую неохлаждаемую деталь; при нагревании две части плотно скрепляются.
Ограничения кислотно-щелочного слякоти
Смеси, основанные на использовании кислотно-основных шламов, имеют ограниченную практическую ценность, помимо получения эталонных точек плавления, поскольку энтальпия растворения депрессора точки плавления часто значительно больше (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. [3] Это приводит к незначительной или нулевой чистой охлаждающей способности при желаемых температурах и температуре конечной смеси, которая выше, чем была вначале. Значения, указанные в таблице, получены путем предварительного охлаждения с последующим объединением с ней каждой последующей смеси, окруженной смесью с предыдущим приращением температуры; смеси должны быть «уложены» одна в другую. [4] [5] [6]
Такие слякоти на кислотной основе являются коррозионными и поэтому создают проблемы при транспортировке. Кроме того, их нелегко пополнить, так как объем смеси увеличивается с каждым добавлением хладагента; емкость (будь то ванна или холодный палец) в конечном итоге потребуется опорожнить и снова наполнить, чтобы предотвратить переполнение. Это делает эти смеси в значительной степени непригодными для использования в синтетических материалах, поскольку во время опорожнения контейнера не будет охлаждающей поверхности.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Соединенные Штаты. Армия. Артиллерийский департамент (1862 г.). Теодор Фаддей Собески Лэйдли (ред.). Руководство по артиллерийскому вооружению для использования офицерами армии Соединенных Штатов (3-е изд.). JB Lippincott & Company. С. 462 .
- ^ Уокер, Р. (1788). Эксперименты по производству искусственного холода. Мистер Ричард Уокер, аптекарь больницы Рэдклиффа в Оксфорде. В письме Генри Кавендишу, эсквайру. ФРС и А.С. Философские труды Лондонского королевского общества, 78 (0), стр. 395-402.
- ^ Энтальпия раствора аналитов, CRC
- ^ Грей, S. (1828). Оперативный химик. Лондон: Херст, шанс. Стр.166.
- ^ Уокер, Р. (1788). Эксперименты по производству искусственного холода. Мистер Ричард Уокер, аптекарь больницы Рэдклиффа в Оксфорде. В письме Генри Кавендишу, эсквайру. ФРС и А.С. Философские труды Лондонского королевского общества, 78 (0), стр. 395-402.
- ^ Уокер, Р. и Уолл, М. (1795). Наблюдения за лучшими методами производства искусственного холода. Мистер Ричард Уокер. Сообщение Мартина Уолла, MDFRS Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 85 (0), pp.270-289.