Dưới mui xe: Hóa học trong chiếc ôtô - Cynthia Chubbuck

Xem toàn bộ bài giảng ở: http://ed.ted.com/lessons/under-the-hood-the-chemistry-of-cars-cynthia-chubbuck

Hiện nay trên thế giới có hơn một tỉ chiếc ô tô, giúp con người di chuyển từ A đến B. Nhưng ô tô không chỉ là một phương tiện đi lại; chúng còn dạy ta những kiến thức về hóa học đầy thú vị. Cynthia Chubbuck tìm ra hoạt động của những chất hóa học phức tạp trong động cơ xe giúp xe không trở nên quá nóng hoặc lạnh.

Bài giảng của Cynthia Chubbuck, hoạt hình tạo bởi FOX Animation Domination High-Def

Hiện nay trên thế giới
có hàng tỷ chiếc ôtô,

đưa con người tới
mọi nơi họ cần,

nhưng ôtô không chỉ là
một loại phương tiện,

chúng có thể cũng là
một bài hóa học ít gặp.

Quá trình khởi động động cơ của bạn
bắt đầu bên trong xilanh động cơ,

một lượng xăng dạng sương
từ bộ phận phun nhiên liệu

và một luồng không khí
từ van nạp

trộn với nhau trước khi
được đánh lửa bởi tia điện,

hình thành hỗn hợp cháy giãn nở
và đẩy pit-tông.

Nhưng cháy là một phản ứng tỏa nhiệt,
nghĩa là nó giải phóng nhiệt.

Rất nhiều.

Và trong khi một lượng nhiệt thoát ra ngoài
thông qua ống xả,

phần nhiệt ở trong khối động cơ
cần được hấp thụ, vận chuyển, và tiêu tán

để bảo vệ các khối kim loại
khỏi biến dạng hoặc thậm chí nóng chảy.

Đấy là nơi hệ thống làm mát xuất hiện.

Một chất lỏng chảy tuần hoàn
khắp động cơ,

loại chất lỏng nào
có thể hấp thụ toàn lượng nhiệt?

Nước thoạt nhiên có thể là
lựa chọn đầu tiên.

Trên hết, nhiệt dung riêng của nó,

phần năng lượng cần thiết
để tăng nhiệt độ

một lượng cố định bằng
một độ C,

cao hơn bất kỳ hợp chất phổ biến nào.

Và ta có một lượng nhiệt lớn cần hấp thụ.

Nhưng sử dụng nước có thể
còn khó khăn hơn.

Một lý do là, nhiệt độ đông đặc của nó
là 0 độ C.

Vì nước giãn nở
khi nó đông đặc,

một đêm mùa đông lạnh giá có thể gây ra
nứt bộ tản nhiệt và phá hủy động cơ,

một viễn cảnh ớn lạnh.

Còn việc động cơ ôtô
có thể nóng đến mức nào,

nhiệt độ sôi tương đối thấp
(100 độ C) của nó

có thể dẫn đến tình huống
khiến bất kỳ ai bị xông hơi.

Do đó, thay vì nước,
chúng ta sử dụng một dung dịch,

một hỗn hợp đồng thể bao gồm
một chất tan và một dung môi.

Một vài tính chất của dung dịch sẽ khác
phụ thuộc vào tỉ lệ chất tan có mặt.

Chúng được gọi là những tính chất kết hợp,
và thật may,

bao gồm giảm nhiệt độ đông đặc
và nâng cao nhiệt độ sôi.

Và dung dịch có nhiệt độ đông đặc thấp hơn
nhiệt độ sôi cao hơn dung môi nguyên chất,

càng nhiều chất tan,
sự khác biệt càng lớn.

Vậy, tại sao những tính chất này
lại thay đổi?

Trước tiên, chúng ta cần hiểu rằng
nhiệt độ là đại lượng đo

động năng trung bình của các phân từ.

Chất lỏng càng lạnh,
càng có ít năng lượng,

và các phân tử
càng chuyển động chậm hơn.

Khi chất lỏng đông đặc,
phân tử di chuyển chậm dần,

đủ để lực hấp dẫn giữa chúng
tương tác lên nhau,

sắp xếp chúng thành cấu trúc tinh thể.

Nhưng các phân tử chất tan
làm ảnh hưởng đến lực tương tác này,

đòi hỏi dung dịch được làm lạnh sâu hơn
trước khi sự sắp xếp xuất hiện.

Cũng như nhiệt độ sôi,
khi một chất lỏng sôi,

nó sinh ra bọt chứa đầy hơi nước trong đó,

nhưng để một bong bóng khí hình thành,
áp suất hơi phải trở lên đủ lớn

giống như khí quyển liên tục đẩy xuống
bề mặt chất lỏng.

Khi chất lỏng được gia nhiệt,
áp suất hơi tăng lên,

và khi nó lớn bằng
áp suất khí quyển,

bọt khí hình thành và bắt đầu sôi.

Áp suất hơi của dung dịch thấp hơn
của dung môi nguyên chất,

vì thế nó phải được gia nhiệt
lên nhiệt độ cao hơn

trước khi nó có thể cân bằng
với lực của khí quyển.

Như một điểm cộng thêm,
áp suất trong bộ tản nhiệt

được giữ cao hơn áp suất khí quyển,

do đó nâng nhiệt độ sôi
tăng thêm 25 độ C nữa.

Dung dịch thường được sử dụng
cho hệ thống làm mát ôtô

là hỗn hợp 50/50
ethylene glycol và nước,

chúng đông đặc ở -37 độ C
và sôi ở 106 độ C.

Ở một tỉ lệ khuyến cáo cao nhất
70/30,

điểm đông đặc thậm chí còn thấp hơn,
ở -55 độC,

và nhiệt độ sôi lên tới
113 độ C.

Như bạn thấy đó,
càng thêm ehtylene glycol,

càng đạt trạng thái bảo vệ tốt,
vậy sao không sử dụng cao hơn nữa?

Điều ngạc nhiên là ta đã có
quá nhiều ở một tính chất tốt

bởi vì ở tỷ lệ cao hơn,

điểm đông đặc thực tế
bắt đầu đảo ngược.

Tính chất của dung dịch thường theo
tính chất của ethylene glycol,

đông đặc ở -12.9 độ C,

một nhiệt độ cao hơn là khi
chúng ta đạt được với dung dịch.

Dung dịch làm mát chảy bên ngoài động cơ,
hấp thụ nhiệt dọc đường đi.

Khi đến bộ tản nhiệt,
nó được làm mát bởi một chiếc quạt,

nhờ dòng khí thổi xuyên qua
phía trước ôtô

trước khi trở lại phần động cơ nóng.

Một dung dịch làm mát
hiệu quả và an toàn

phải có nhiệt dung riêng cao,
điểm đông đặc thấp, và nhiệt độ sôi cao.

Nhưng thay vì tìm kiếm khắp nơi
một chất lỏng hoàn hảo để giải quyết,

chúng ta có thể tự tạo ra
dung dịch của riêng mình.