ส่วนผสมที่เย็นจัด
สารผสมที่เย็นตัวได้ (frigorific mixture)คือสารผสมที่มีสองเฟส ขึ้นไป ในระบบเคมี ซึ่งตราบใดที่ไม่มีเฟสใดถูกใช้หมดไปอย่างสมบูรณ์ในระหว่างการปรับสมดุล สารผสมนี้จะถึงอุณหภูมิสมดุล ที่ไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเริ่มต้นของเฟสก่อนที่จะผสมกัน และไม่ขึ้นอยู่กับสัดส่วนในการผสมด้วย
น้ำแข็ง
ตัวอย่างเช่น น้ำเหลวและน้ำแข็งจะก่อตัวเป็นส่วนผสมที่เย็นจัดที่อุณหภูมิ0 °C (32 °F)ก่อนปี พ.ศ. 2497 คุณสมบัตินี้ถูกใช้เพื่อกำหนดจุดศูนย์ของมาตราเซลเซียส[ 1 ] : 5, 11 [ a ]
ส่วนผสมของแอมโมเนียมคลอไรด์น้ำ และน้ำแข็งก่อให้เกิดส่วนผสมที่เย็นจัดที่อุณหภูมิประมาณ−15.5 °C (4 °F) [ b ]และ ส่วนผสมของโซเดียมคลอไรด์น้ำ และน้ำแข็งก่อให้เกิดส่วนผสมที่เย็นจัดที่อุณหภูมิ−22 °C (−8 °F) [ 2 ] เดิมทีส่วนผสมเหล่านี้ใช้เพื่อกำหนดจุดศูนย์ของมาตราส่วนฟาเรนไฮต์จอห์น อัลเบิร์ต นิวตัน เฟรนด์แนะนำว่าฟาเรนไฮต์ไม่ทราบว่าส่วนผสมเหล่านี้ให้ค่าอุณหภูมิที่แตกต่างกัน[ 2 ]
คำอธิบาย
การมีอยู่ของสารผสมที่เย็นจัดสามารถมองได้ว่าเป็นผลมาจากกฎเฟส ของกิบส์ ซึ่งอธิบายความสัมพันธ์ที่สมดุลระหว่างจำนวนองค์ประกอบจำนวนเฟส ที่อยู่ร่วมกัน และจำนวนองศาอิสระที่อนุญาตโดยเงื่อนไขของสมดุลแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ที่ความดันบรรยากาศคงที่ ในระบบที่มีองค์ประกอบทางเคมีที่เป็นอิสระเชิงเส้นC ตัว หาก ระบุว่ามีเฟส C + 1 เฟสอยู่ในสมดุล ระบบนั้นจะถูกกำหนดอย่างสมบูรณ์ (ไม่มีองศาอิสระ) กล่าวคือ อุณหภูมิและองค์ประกอบของทุกเฟสถูกกำหนดไว้แล้ว ดังนั้น ในระบบเคมี H₂O NaCl ซึ่งมีสององค์ประกอบ การมีอยู่พร้อมกันของสามเฟส ได้แก่ ของเหลว น้ำแข็ง และไฮโดรฮาไลต์ที่ความดันบรรยากาศ สามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิเดียวคือ –21.2 °C เท่านั้น การเข้าสู่สภาวะสมดุลของสารผสมที่มีอุณหภูมิต่ำเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนความร้อนแฝงเป็นความร้อนสัมผัสในขณะที่สัดส่วนของเฟสต่างๆ ปรับตัวเพื่อรองรับการลดลงของศักยภาพทางเทอร์โมไดนามิกที่เกี่ยวข้องกับการเข้าสู่สภาวะสมดุล
ตัวอย่างอื่นๆ
ตัวอย่างอื่นๆ ของส่วนผสมแช่แข็ง ได้แก่: [ 3 ]
| วัสดุ | ชิ้นส่วน (w/w) [ 4 ] | อุณหภูมิสมดุล |
|---|---|---|
| แอมโมเนียมคลอไรด์ ( ) | 5 | −12 °C / 10 °F / 261 K |
| โพแทสเซียมไนเตรต ( ) | 5 | |
| น้ำ | 16 | |
| แอมโมเนียมคลอไรด์ ( ) | 5 | −15.5 °C / 4 °F / 257.5 K |
| น้ำ | 16 | |
| แอมโมเนียมไนเตรต( | 1 | −15.5 °C / 4 °F / 257.5 K |
| น้ำ | 1 | |
| โซเดียมซัลเฟต ( | 3 | −16 °C / 3 °F / 257 K |
| กรดไนตริกเจือจาง( ) | 2 | |
| โซเดียมซัลเฟต( | 8 | −18 °C / 0 °F / 255 K |
| กรดไฮโดรคลอริก (HCl) | 5 | |
| หิมะ/น้ำแข็ง | 1 | −18 °C / 0 °F / 255 K |
| โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) | 1 | |
| หิมะ/น้ำแข็ง | 1 | −26 °C / −15 °F / 247 K |
| โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) | 1 | |
| หิมะ/น้ำแข็ง | 1 | −51 °C / −60 °F / 222 K |
| กรดซัลฟิวริกเจือจาง( | 1 | |
| หิมะ/น้ำแข็ง | 2 | −55 °C / −67 °F / 218 K |
| แคลเซียมคลอไรด์ ( ) | 3 | |
| กรดซัลฟิวริกเจือจาง( | 10 | −68 °C / −90 °F / 205 K |
| หิมะ/น้ำแข็ง | 8 |
การใช้งาน
อาจใช้สารผสมที่ทำให้เย็นจัดเพื่อให้ได้ตัวกลางที่เป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิคงที่ต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม สารผสมดังกล่าวถูกนำมาใช้ในการสอบเทียบเทอร์โมมิเตอร์ในทางเคมีอาจใช้อ่างทำความเย็นเพื่อควบคุมอุณหภูมิของปฏิกิริยาคายความร้อน สูง
ส่วนผสมของสารทำความเย็นอาจใช้เป็นทางเลือกแทนการทำความเย็น เชิงกล ตัวอย่างเช่น ในการประกอบชิ้นส่วนโลหะสองชิ้นเข้าด้วยกัน ชิ้นส่วนหนึ่งจะถูกวางในส่วนผสมของสารทำความเย็น ทำให้ชิ้นส่วนนั้นหดตัวลงจนสามารถสอดเข้าไปในชิ้นส่วนที่สองที่ยังไม่เย็นได้ง่าย เมื่ออุ่นชิ้นส่วนทั้งสองก็จะยึดติดกันแน่น อีกตัวอย่างหนึ่งคือกระบวนการไพเปอร์ ซึ่งใช้ในครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 สำหรับการแช่แข็งและการเก็บรักษาปลาในอุณหภูมิต่ำ[ 5 ]
ข้อจำกัดของน้ำแข็งปั่นกรดเบส
ส่วนผสมที่อาศัยการใช้สารละลายกรดเบสแบบเหลวมีคุณค่าในทางปฏิบัติจำกัด นอกเหนือจากการสร้างจุดหลอมเหลวอ้างอิง เนื่องจากเอนทาลปีของการละลายของสารลดจุดหลอมเหลวมักจะมากกว่าเอนทาลปีของการหลอมเหลวของน้ำเองอย่างมีนัยสำคัญ (เช่น ΔH -57.61 kJ/mol สำหรับ KOH) (ΔH 6.02 kJ/mol) สำหรับการอ้างอิง ΔH สำหรับการละลายของ NaCl คือ 3.88 kJ/mol [ 6 ]ส่งผลให้ความสามารถในการทำความเย็นสุทธิที่อุณหภูมิที่ต้องการมีน้อยหรือไม่มีเลย และอุณหภูมิของส่วนผสมสุดท้ายจะสูงกว่าอุณหภูมิเริ่มต้น ค่าที่อ้างในตารางนั้นได้มาจากการทำความเย็นล่วงหน้าก่อน แล้วจึงรวมส่วนผสมแต่ละอย่างเข้าด้วยกันโดยล้อมรอบด้วยส่วนผสมของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นก่อนหน้า ส่วนผสมจะต้อง 'ซ้อน' กัน[ 7 ] [ 4 ] [ 8 ]
น้ำแข็งปนกรดแบบนี้มีฤทธิ์กัดกร่อน จึงทำให้เกิดปัญหาในการจัดการ นอกจากนี้ยังเติมสารทำความเย็นได้ยาก เนื่องจากปริมาตรของส่วนผสมจะเพิ่มขึ้นทุกครั้งที่เติมสารทำความเย็น ภาชนะ (ไม่ว่าจะเป็นอ่างหรือแท่งทำความเย็น ) จะต้องถูกเทออกและเติมใหม่ในที่สุดเพื่อป้องกันไม่ให้ล้น ทำให้ส่วนผสมเหล่านี้ไม่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในงานสังเคราะห์ เนื่องจากจะไม่มีพื้นผิวทำความเย็นในระหว่างการเทภาชนะออก
ดูเพิ่มเติม
หมายเหตุ
- ↑ระหว่างปี พ.ศ. 2497 ถึง พ.ศ. 2562 ได้มีการใช้คำจำกัดความที่ตั้งค่าไว้ที่ 0.01 °C สำหรับจุดสามสถานะของน้ำที่มีอัตราส่วนไอโซโทปที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนแทน [ 1 ]
- ↑อุณหภูมิยูเทคติกของแอมโมเนียมคลอไรด์และน้ำระบุไว้ที่ −15.9 °C (3.38 °F) และ −15.4 °C (4.28 °F) ตามลำดับ
- Peppin, SS; Huppert, HE; Worster, MG (2008). "การแข็งตัวแบบสภาวะคงที่ของแอมโมเนียมคลอไรด์ในน้ำ" (PDF) . J. Fluid Mech . 159 . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์: 472 (ตารางที่ 1). Bibcode : 2008JFM...599..465P . doi : 10.1017/S0022112008000219 . S2CID 30271164 . เก็บถาวร(PDF)จากต้นฉบับเมื่อ 2010-01-19.
- Barman, N.; Nayak, AK; Chattopadhyay, H. (2021). "การแข็งตัวของสารละลายไบนารี (NH Cl + H O) บนแผ่นระบายความร้อนเอียง: การศึกษาเชิงพารามิเตอร์" (PDF) . Procedia Materials Science . 7 : 456 (ตารางที่ 1). doi : 10.1016/j.mspro.2014.07.288 . เก็บถาวร(PDF)จากต้นฉบับเมื่อ 2019-01-15.