Bilim.techО проекте

Спирты, гликоли и антифриз

Почему чистый концентрат антифриза замерзает раньше, чем смесь с водой? Меняй долю гликоля и смотри, при какой температуре замерзнет и закипит система охлаждения.

01 Что это такое

Спирт это углеводород, у которого атом водорода заменили группой OH. Чем больше таких групп, тем крепче молекулы держатся друг за друга.

Группа OH умеет образовывать водородные связи: водород одной молекулы притягивается к кислороду соседней. Поэтому метанол кипит при +65 °C, а метан той же величины уже при −162 °C. Этиленгликоль с двумя группами OH кипит почти при +200 °C, а глицерин с тремя густой, как сироп. Те же группы OH цепляются за молекулы воды, и спирты с ней смешиваются в любых долях.

В антифризе это главное. Молекулы гликоля встают между молекулами воды и мешают им собраться в кристалл льда. Смесь замерзает намного ниже нуля. Но работает это только вместе с водой: у чистого гликоля свой кристалл, и он замерзает около −13 °C. Поэтому концентрат разбавляют, а самая морозостойкая смесь получается около 60 % гликоля.

метанолCH₃OHO+65 °C1 группа OHэтанолC₂H₅OHO+78 °C1 группа OHэтиленгликольC₂H₄(OH)₂OO+197 °C2 группы OHглицеринC₃H₅(OH)₃OOO+290 °C3 группы OH
Красный кружок с белым это группа OH, пунктир под ней водородная связь с соседней молекулой. Столбик показывает температуру кипения: чем больше групп OH, тем она выше.
OH
Гидроксильная группа. Признак спирта. Делает молекулу «липкой»: она образует водородные связи с соседями и с водой.
tз
Температура замерзания смеси. Ниже нее в жидкости появляются кристаллы льда. Сначала это каша, которая еще течет, потом сплошной лед.
φ
Доля гликоля по объему. Сколько концентрата в смеси. Антифриз продают готовым (обычно около 50 %) или концентратом, который надо разбавлять.
02 Опыт
Подбери смесь для мороза и для жары. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Антифриз в системе охлаждения

Рис. 9.6
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Замерзает при
Кипит в системе при
Теплоемкость, c

Осторожно. Метанол и этиленгликоль ядовиты. Антифриз сладковатый на вкус, поэтому его хранят в подписанной таре, подальше от детей и животных, и никогда не переливают в бутылки из-под напитков. Пропиленгликоль намного менее ядовит, но и его пить нельзя.

ⓘ Температуры замерзания и кипения взяты из справочных таблиц для смесей по объему. Количество льда ниже температуры замерзания посчитано по правилу рычага, вязкость и теплоемкость оценены по таблицам с интерполяцией.

03 Формулы по буквам

Мороз, кипение и насос

Три формулы объясняют, что делает гликоль в системе охлаждения: опускает температуру замерзания, а крышка радиатора поднимает температуру кипения. Платить за это приходится теплоемкостью. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, которая сейчас важнее всего, подсвечена.

Насколько опускается замерзание

Δt = K · b

Чем больше растворенных молекул приходится на килограмм воды, тем ниже замерзает раствор. Для воды K = 1,86 °C·кг/моль. Формула точна для слабых растворов, для крепких дает оценку.

Δt
на сколько градусов ниже нуля замерзает смесь
K
криоскопическая постоянная воды, 1,86
b
моляльность: моль гликоля на 1 кг воды

Кипение под давлением крышки

ln p⁄p₀ = L⁄R · (1⁄T₀ − 1⁄T)

Крышка держит пар внутри, давление растет, и жидкости нужно больше энергии, чтобы закипеть. Каждые 0,1 бара добавляют около 2,5 °C.

p, p₀
давление в системе и атмосферное, кПа
L
теплота испарения воды, 40,7 кДж/моль
T₀, T
кипение без давления и под давлением, К

Сколько жидкости должен качать насос

ṁ = Q⁄c · Δt

Чтобы унести одно и то же тепло, жидкости с меньшей теплоемкостью надо прокачать больше. За базу взята чистая вода.

ṁ
расход жидкости через двигатель, кг/с
Q
тепло, которое надо унести, кВт
c, Δt
теплоемкость и нагрев жидкости в двигателе

Почему кривая замерзания похожа на букву V

Левая ветвь: в смеси больше воды, и при охлаждении замерзает именно вода. Гликоль мешает ей, поэтому чем его больше, тем ниже точка замерзания. Правая ветвь: гликоля больше, и при охлаждении кристаллизуется уже сам гликоль. Добавка воды мешает ему так же, как гликоль мешал воде. Ветви встречаются в нижней точке, она называется эвтектикой. Для этиленгликоля это около −50 °C при 60 % по объему.

Ниже точки замерзания смесь не превращается в камень сразу. Сначала выпадают кристаллы льда, а оставшаяся жидкость становится крепче и замерзает еще ниже. Долю льда находят по правилу рычага: если смесь с 40 % гликоля охладить до температуры, при которой замерзает 50-процентная, жидкой останется 40/50 = 80 % смеси, а 20 % станет льдом. Такая каша еще течет, но насос и тонкие трубки радиатора она забивает.

0 °Cэвтектика ≈ −50 °Cвыпадает ледвыпадаетгликольжидкость0 %60 %100 %−13 °C
Слева от эвтектики при охлаждении появляется лед, справа кристаллы гликоля. Ниже обеих ветвей смесь твердая.
04 Где и зачем это применяют

От самосвала до аптеки

Допущения модели+

Температуры замерзания и кипения этиленгликоля взяты из справочной таблицы для смесей по объему (0–100 %), между точками кривая плавно интерполируется. Для пропиленгликоля табличные данные есть до 60 %, при большей доле он не кристаллизуется четко, а густеет, поэтому кривая дальше не продолжена. Количество льда ниже точки замерзания посчитано по правилу рычага. Кипение под давлением оценено по уравнению Клапейрона и Клаузиуса с теплотой испарения воды, атмосферное давление 101,3 кПа. Вязкость оценена по табличным значениям для чистого гликоля и смеси 60 % с интерполяцией по логарифму, теплоемкость по таблице для 20 °C. Реальные антифризы содержат присадки и краситель, их свойства немного другие. Опыт показывает химию смеси и не заменяет инструкцию производителя машины.

Еще в направлении «Химия»

Все темы направления «Химия» →