Под капотом: автомобильная химия — Синтия Чабак

Смотреть урок полностью: http://ed.ted.com/lessons/under-the-hood-the-chemistry-of-cars-cynthia-chubbuck

Сейчас в мире больше миллиарда автомобилей, перевозящих людей из точки А в точку Б. Но автомобили не только средство передвижения, они также преподают отличный урок химии. Синтия Чабак рассказывает о сложных химических процессах, происходящих в моторах наших автомобилей и предохраняющих их от переохлаждения или перегрева.

Урок — Синтия Чабак, анимация — FOX Animation Domination High-Def.

Больше миллиарда машин в мире

доставляют людей
до места назначения.

Но автомобиль — это не только
средство передвижения.

Автомобиль может
преподать вам урок химии.

Когда вы заводите машину,
в цилиндрах двигателя происходит процесс,

при котором
выброс топлива из инжектора

и поток воздуха из впускного клапана

смешиваются и зажигаются искрой,

формируя газы, которые расширяются
и оказывают давление на поршень.

Но возгорание — это экзотермическая реакция,
что означает, в ней выделяется тепло.

Много тепла.

И, в то время как большая часть тепла
выходит через выхлопную трубу,

тепло, оставшееся в блоке цилиндра
нужно поглотить, перенести и распределить,

чтобы защитить металлические детали
от деформации или даже плавления.

Именно теперь вступает в работу
система охлаждения.

Начинается вращение жидкости
в двигателе.

Но какая жидкость может поглотить
всё это тепло?

На первый взгляд, вода является
очевидным выбором.

Ведь её удельная теплоёмкость —

количество энергии, требуемое
для повышения температуры

данного объёма
на один градус Цельсия —

выше чем у любого другого вещества.

И необходимо поглотить
большое количество теплоты.

Но использование воды может вызвать
большие затруднения.

Во-первых,
температура замерзания воды — 0°С.

Так как вода
при замерзании расширяется,

морозная зимняя ночь может привести
к трещинам в радиаторе или повреждениям блока,

Далеко не радужная картина.

А если вспомнить,
как сильно нагревается двигатель,

относительно низкая температура
кипения 100°C

может заставить
самых хладнокровных закипеть.

Поэтому, вместо воды
мы используем раствор,

а именно, однородную смесь
растворителя и растворенного вещества.

Некоторые свойства раствора зависят
от концентрации растворенного вещества.

Такие свойства называются коллигативными,
и к счастью или несчастью,

к ним относятся понижение точки замерзания
и повышение точки кипения.

Итак, раствор имеет более низкую температуру
замерзания и более высокую температуру кипения

чем растворитель; и чем больше
растворенного вещества,

тем больше эта разница.
Так почему же эти свойства непостоянны?

Прежде всего, нужно понимать,
что температура — это величина

измерения средней кинетической
энергии частицы.

Чем холоднее жидкость, тем меньше
этой энергии, и тем медленнее

движутся молекулы.

Когда жидкость замерзает, движение молекул
замедляется до скорости,

достаточной
для взаимодействия силы притяжения,

под воздействием которой образуются
кристаллические структуры.

Но присутствующие частицы растворенного
вещества препятствуют притяжению,

заставляя раствор охлаждаться дальше,
прежде чем произойдёт кристаллизация.

Что касается температуры кипения,
когда жидкость закипает,

образуются пузыри пара,

но чтобы пузырь образовался,
давление пара должно достичь

величины постоянного давления, оказываемого
атмосферой на поверхность жидкости.

При нагревании жидкости
давление пара растёт,

и когда оно достигает величины
атмосферного давления,

образуются пузыри,
и происходит кипение.

Давление пара раствора
ниже, чем у растворителя,

поэтому раствор
нужно нагреть ещё больше,

прежде чем давление сравняется
с величиной атмосферы.

И что ещё лучше,
давление в радиаторе

держится на величине
выше атмосферного,

поднимая температуру кипения
ещё на 25 °C.

Раствор, обычно используемый
для охлаждения автомобиля,

состоит из равных частей
этиленгликоля и воды.

Он замерзает при 37 °C
и закипает при 106 °C.

При самой высокой возможной
пропорции 70:30

температура замерзания
ещё ниже — 55 °C,

а температура кипения повышается
до 113 °C.

Как видите,
чем больше этиленгликоля,

тем выше уровень защиты.
Так почему бы не добавить больше?

Оказывается, иногда хорошего
может быть слишком много.

Так, при более высокой пропорции

температура замерзания начинает
обратно повышаться.

Свойства раствора становятся
подобными свойствам этиленгликоля,

который замерзает при 12,9 °C,

что превышает температуру
замерзания раствора.

Раствор растекается в двигателе,
поглощая при этом теплоту.

Когда он достигает радиатора,
он охлаждается вентилятором,

а также воздухом, циркулирующим
в передней части машины,

прежде чем вернуться
в горячий двигатель.

Таким образом, эффективная
и безопасная охлаждающая жидкость

должна иметь определённый высокий уровень
теплоты и температуры кипения,

и низкую точку замерзания. Но вместо того,
чтобы искать самую лучшую жидкость в мире,

мы можем создать свой собственный раствор.