Научно-исследовательская работа на тему "Охлаждающие смеси"

В повседневной жизни, мы часто сталкиваемся с явлениями, которые вызывает у нас много вопросов.

Почему при растворении некоторых азотных удобрений, используемых для подкормки растений, полученные растворы охлаждаются?

Почему стоять на солевой каше (смесь снега и соли) холоднее, чем просто на снегу?

Почему происходит охлаждение при использовании гипотермического пакета из автомобильной аптечки?

Почему концентрированная серная кислота при смешивании со снегом даёт сильный охлаждающий эффект, а при растворении в воде – сильное разогревание?

Желание найти ответы на эти вопросы, стало основой для нашего исследования. Я решила изучить механизм тепловых процессов и выявить наиболее доступные, эффективные составы охлаждающих смесей.

Цель работы:

Изучить и проанализировать информацию об охлаждающих смесях и экспериментальным путём выявить наиболее простые и эффективные составы хладосмесей.

Задачи работы:

1) Провести сбор и анализ литературы по охлаждающим смесям.

2) Опытным путём определить состав водно-солевого гипотермального пакета «АППОЛО».

3) Экспериментальным путём выявить наиболее эффективные составы хладосмесей из веществ, применяемых в быту.

4) Выработать рекомендации по методике приготовления охлаждающих смесей.

Объект исследования. Соли, используемые в качестве азотных удобрений.

Предмет исследования. Эффективность составов охлаждающих смесей, зависимость гипотермического эффекта от содержания в смесях солей и агрегатного состояния растворителя.

1. Существуют эффективные и простые охлаждающие составы, приготовленные на основе азотных удобрений и поваренной соли.

2. Охлаждающий эффект зависит от агрегатного состояния растворителя и концентрации растворяемого вещества.

Методы исследования:

-метод актуализации - состоит в определении ценности конкретного исследования;

- метод практического исследования;

- метод анализа и обобщения

ГЛАВА 1. Обзор литературы по теме

1.1 Что такое охлаждающие смеси (криосмеси).

Криосмесь – это неологизм ( греч. kryos — лёд). Поэтому в научной литературе это слово встречается довольно редко. Чаще это слово заменяют словосочетанием «охлаждающая смесь». Это системы из двух или нескольких твёрдых или твёрдых и жидких веществ, при смешении которых происходит понижение температуры смеси вследствие поглощения тепла при плавлении или растворении составляющих системы.

В качестве компонентов охлаждающих смесей для понижения температур до —50° С применяют различные соли, кислоты, воду, лёд (снег). Для понижения температур до —80° С используются охлаждающие смеси из сухого льда (твёрдой углекислоты) и некоторых органических веществ (спиртов, ацетона, эфира). Также в промышленности широко используются охлаждающие жидкости. Самой распространённой охлаждающей жидкостью является вода. Наибольшее распространение получили охлаждающие жидкости на основе многоатомного спирта – этиленгликоля.

Чтобы получить наиболее низкую температуру, входящие в охлаждающие смеси вещества берут в количествах, отвечающих криогидратной точке. Криогидратная точка - температура, при которой раствор определенного вещества замерзает, иными словами это наиболее низкая температура которую вы сможете получить, смешав компоненты определенной массы.

Охлаждающих смесей очень много, так как вообще всякая химическая реакция (в том числе и растворение), совершающаяся с поглощением тепла, может служить для охлаждения. Применение той или другой охлаждающей смеси зависит от того, что имеется под руками, и от желаемого понижения температуры.

1.2. История открытия и создания охлаждающих смесей (криосмесей).

Растворение как средство для получения искусственного холода применялось издавна; так, например, римляне для охлаждения вина пользовались растворением калиевой селитры в воде. Этот же способ охлаждения вновь был применен физиком Blasius Villafranca в Риме в 1550 г. О более сильном охлаждении упоминает Latinus Tancredus в Неаполе в 1607 г.; он брал смесь снега с селитрой; наконец, о смеси толченого льда и поваренной соли упоминается Санторио в 1626 г. Эта же смесь применялась для замораживания жидкостей, а также покойников народом, называемым эстонским. Охлаждающие эффекты применяли в средние века для изготовления мороженного. Бочку со снегом и солью использовали как морозильник.

Уже в начале 17 века были выведены первые формулы охлаждающих смесей.

1665г. знаменуется как год, когда Роберт Бойль опубликовал труд, содержащий теоретические основы получения холода. А уже в 1686 году Мариотт экспериментально подтвердил теории Бойля.

1685г. - Филипп Лахир получил водяной лед в пиале, залитой снаружи аммиаком. В 1810г. Лесли построил первую, известную истории, установку для получения искусственного льда.

Вскоре (1834г.) Пельтье открыл принцип, положивший начало разработке термоэлектрических холодильных машин.

В 1844г. Чарльз Смит Пиаззи наконец изобрёл холодильную камеру.

1870г. - Питер Вандер Вейд получил патент США за систему охлаждения с термостатом.

В 1879г. Карл фон Линде получил патент на первый в мире механический холодильник.

В наше время охлаждающие смеси применяются в домашнем быту, в лабораториях и вообще там, где не требуется очень сильное и продолжительное охлаждение. Для последнего и для заводских целей наука и экономический расчет создали более могущественные средства искусственного охлаждения.

Основными изобретателями в «криосмесях» принято считать:

закон связи давления, объема и температуры

теоретические основы получения холода

получение льда при использовании вакуума

создание парокомпрессионной машины

Михаил Васильевич Ломоносов

создание теории естественной вентиляции

в условиях вакуума вода замерзает, если удалить водяные пары (пары поглощались серной кислотой)

1.3. Классификация охлаждающих смесей.

1.Охлаждающие смеси из воды (или снега) и соли

2.Охлаждающие смеси из воды и двух солей

3.Охлаждающие смеси из кислот и снега

4.Охлаждающие смеси из солей с кислотами

5.Охлаждающие смеси некоторых органических веществ с твердой углекислотой

1) Охлаждающие смеси из воды (или снега) и соли

2) Охлаждающие смеси из воды и двух солей

Смесь солей на 100г воды

52 г NH4Cl + 40 NaCl

2 г KNO3 + 112 KSCN

3) Охлаждающие смеси из кислот и снега

Количество снега, масс. ч

4) Охлаждающие смеси из солей с кислотами

Количество, масс. ч

5) Охлаждающие смеси с твердой углекислотой

1.4. Теоретическое обоснование гипотермального эффекта охлаждающих смесей.

В свойствах смесей есть интересная закономерность: температура плавления смеси нескольких веществ ниже, чем температура плавления каждого из чистых веществ по отдельности. Температура плавления чистой воды (в виде льда или снега) 0 0 С. Если внести в лед примесь поваренной соли, то лед начинает плавиться при более низких минусовых температурах. Температура плавления зависит от соотношения льда и соли, скорости перемешивания и даже степени измельчения льда. Лед, как и всякое тело, твердое или жидкое, представляет собой систему молекул, обладающих колебательными движениями (тепловыми) и в то же время взаимно притягивающихся; пока эта система остается в одном из состояний подвижного равновесия, физическое (и химическое) состояние тела остается неизменным. При соприкосновении частиц льда и соли происходит химическое взаимодействие, взаимное притяжение между частицами льда ослабевает, лед плавится; при этом теплота поглощается. В то же время взаимодействие соли с водой (гидратация) сопровождается выделением тепла. Окончательный результат определяется разностью количеств теплоты, поглощенной при плавлении льда, и теплоты соединения соли с водой. Так как первая превосходит в данном случае вторую, то получается охлаждение смеси. Сосуд, в котором производится смешивание, конечно, должен быть хорошо изолирован непроводниками теплоты, чтобы полнее утилизировать искусственный холод, и само смешивание производится как можно быстрее; для этого все твердые вещества, как то: лед, соли, должны быть хорошо измельчены. Приведенное объяснение явления охлаждения применимо и к растворению солей в воде, с той лишь разницей, что при растворении многих солей не столь ясно выражено химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом. При смешении нескольких солей с водой или снегом могут происходить уже более сложные явления, двойные разложений солей и пр.

В общем, тепловой эффект растворения складывается из тепловых эффектов двух стадий:

1. разрушение кристаллической решетки, которое протекает с затратой энергии

2. образование гидратов, которое сопровождается выделением энергии

3. Знак теплового эффекта растворения будет определяться соотношением энергий этих стадий.

1.5. Применение криосмесей в промышленности и быту.

В наше время охлаждающие смеси применяются в домашнем быту, в лабораториях и вообще там, где не требуется очень сильное и продолжительное охлаждение. Для последнего и для промышленных целей наука и экономический расчет создали более могущественные средства искусственного охлаждения. Основными областями применения криосмесей в быту, в медицине и в лаборатории можно определить:

1) быстрое охлаждение напитков или продуктов;

2) сохранение продуктов на короткое время при отсутствии холодильника в тёплое время года;

3) в лаборатории - перегонка легкокипящих жидкостей или газов;

4) разделение 2-х несмешивающихся жидкостей, одна из которых имеет низкую температуру замерзания (бензол-вода).

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎