Температура замерзания солевого раствора

Теплофизические свойства раствора CaCl2 (кальций хлористый)

В таблице представлены теплофизические свойства раствора хлористого кальция CaCl2 в зависимости от температуры и концентрации соли: удельная теплоемкость раствора, теплопроводность, вязкость водных растворов, их температуропроводность и число Прандтля. Концентрация соли CaCl2 в растворе от 9,4 до 29,9 %. Температура, при которой приведены свойства определяется содержанием соли в растворе и находится в диапазоне от -55 до 20°С.

Водный раствор хлорида кальция CaCl2 может не замерзать до температуры минус 55°С. Для достижения этого эффекта концентрация соли в растворе должна быть 29,9%, а его плотность составит величину 1286 кг/м 3 .

При увеличении концентрации соли в растворе увеличивается не только его плотность, но и такие теплофизические свойства, как динамическая и кинематическая вязкость водных растворов, а также число Прандтля. Например, динамическая вязкость раствора CaCl2 с концентрацией соли 9,4 % при температуре 20°С равна 0,001236 Па·с, а при увеличении концентрации хлорида кальция в растворе до 30% его динамическая вязкость увеличивается до значения 0,003511 Па·с.

Следует отметить, что на вязкость водных растворов этой соли наиболее сильное влияние оказывает температура. При охлаждении раствора хлорида кальция с 20 до -55°С его динамическая вязкость может увеличиться в 18 раз, а кинематическая — в 25 раз.

Даны следующие теплофизические свойства раствора CaCl2:

  • плотность раствора, кг/м 3 ;
  • температура замерзания °С;
  • удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
  • динамическая вязкость водных растворов, Па·с;
  • кинематическая вязкость раствора, м 2 /с;
  • коэффициент температуропроводности, м 2 /с;
  • число Прандтля.

Плотность раствора хлористого кальция CaCl2 в зависимости от температуры

В таблице указаны значения плотности раствора хлористого кальция CaCl2 различной концентрации в зависимости от температуры.
Концентрация хлорида кальция CaCl2 в растворе от 15 до 30 % при температуре от -30 до 15°С. Плотность водного раствора хлористого кальция увеличивается при снижении температуры раствора и увеличением в нем концентрации соли.

Теплопроводность раствора CaCl2 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности раствора хлористого кальция CaCl2 различной концентрации при отрицательных температурах.
Концентрация соли CaCl2 в растворе от 0,1 до 37,3 % при температуре от -20 до 0°С. По мере роста концентрации соли в растворе его теплопроводность снижается.

Теплоемкость раствора CaCl2 при 0°С

В таблице представлены значения массовой теплоемкости раствора хлористого кальция CaCl2 различной концентрации при 0°С. Концентрация соли CaCl2 в растворе от 0,1 до 37,3 %. Следует отметить, что с повышением концентрации соли в растворе, его теплоемкость снижается.

Температура замерзания растворов солей NaCl и CaCl2

В таблице приведена температура замерзания растворов солей хлористого натрия NaCl и кальция CaCl2 в зависимости от концентрации соли. Концентрация соли в растворе от 0,1 до 37,3 %. Температура замерзания солевого раствора определяется концентрацией соли в растворе и для хлорида натрия NaCl может достигать значения минус 21,2°С для эвтектического раствора.

Необходимо отметить, что раствор хлористого натрия может не замерзать до температуры минус 21,2°С, а раствор хлористого кальция не замерзает при температуре до минус 55°С.

Плотность раствора NaCl в зависимости от температуры

В таблице представлены значения плотности раствора хлористого натрия NaCl различной концентрации в зависимости от температуры.
Концентрация соли NaCl в растворе от 10 до 25 %. Значения плотности раствора указаны при температуре от -15 до 15°С.

Теплопроводность раствора NaCl в зависимости от температуры

В таблице даны значения теплопроводности раствора хлористого натрия NaCl различной концентрации при отрицательных температурах.
Концентрация соли NaCl в растворе от 0,1 до 26,3 % при температуре от -15 до 0°С. По данным таблицы видно, что теплопроводность водного раствора хлорида натрия снижается по мере роста концентрации соли в растворе.

Удельная теплоемкость раствора NaCl при 0°С

В таблице представлены значения массовой удельной теплоемкости водного раствора хлористого натрия NaCl различной концентрации при 0°С. Концентрация соли NaCl в растворе от 0,1 до 26,3 %. По данным таблицы видно, что с повышением концентрации соли в растворе, его теплоемкость снижается.

Читайте также:  Отопительный щиток для буржуйки

Теплофизические свойства раствора NaCl

В таблице представлены теплофизические свойства раствора хлористого натрия NaCl в зависимости от температуры и концентрации соли. Концентрация хлорида натрия NaCl в растворе от 7 до 23,1 %. Необходимо отметить, что при охлаждении водного раствора хлорида натрия его удельная теплоемкость меняется слабо, теплопроводность снижается, а значение вязкости раствора увеличивается.

Даны следующие теплофизические свойства раствора NaCl:

  • плотность раствора, кг/м 3 ;
  • температура замерзания °С;
  • удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
  • динамическая вязкость раствора, Па·с;
  • кинематическая вязкость раствора, м 2 /с;
  • коэффициент температуропроводности, м 2 /с;
  • число Прандтля.

Плотность растворов хлористого натрия NaCl и кальция CaCl2 в зависимости от концентрации при 15°С

В таблице представлены значения плотности растворов хлористого натрия NaCl и кальция CaCl2 в зависимости от концентрации. Концентрация соли NaCl в растворе от 0,1 до 26,3 % при температуре раствора 15°С. Концентрация хлорида кальция CaCl2 в растворе находится в диапазоне от 0,1 до 37,3 % при его температуре 15°С. Плотность растворов хлорида натрия и кальция растет при увеличении содержания в нем соли.

Коэффициент объемного расширения растворов хлористого натрия NaCl и кальция CaCl2

В таблице даны значения среднего коэффициента объемного расширения водных растворов хлористого натрия NaCl и кальция CaCl2 в зависимости от концентрации и температуры.
Коэффициент объемного расширения раствора соли NaCl указан при температуре от -20 до 20°С.
Коэффициент объемного расширения раствора хлорида CaCl2 представлен при температуре от -30 до 20°С.

  1. Чубик И. А., Маслов А. М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов.
  2. Данилова Г. Н. и др. Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1976.- 240 с.

Физико-химические основы плавления льда и эффективность противогололедных реагентов

Скорость таяния льда зависит от толщины слоя, его однородности, от погодных условий. Толщина льда варьируется от едва видимой пленки, образованной при понижении температуры на мокрой поверхности дорожного покрытия, до толстого слоя льда, образованного при замерзании талой воды и снега. Химическая формула и воды, и льда ? Н2О, но структура воды и льда различается наличием водородных связей. Структура жидкой воды представляет собой нарушенный тепловым движением тетраэдрический каркас, пустоты которого частично заполнены молекулами воды. Такая структура называется льдоподобной. Каждая молекула воды в составе льдоподобного каркаса образует одну зеркально- симметричную (прочную) и три центрально-симметричные (менее прочные) связи. Первая относится к связи между молекулами воды соседних слоев и остальные к связям между молекулами одного слоя.

Молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода, связанных между собой химической ковалентной связью. В свою очередь молекулы воды взаимодействуют друг с другом и связаны водородной связью, что придает воде плотность. Чем больше водородных связей, тем выше плотность воды. Наибольшей плотностью 1 г/см3 вода обладает при температуре 4°С и нормальном давлении. Лед благодаря пустотам в кристаллической решетке имеет плотность меньше плотности воды. Удельная плотность льда равна 0,92 г/см3. Структуру воды можно представить в виде формулы:

где – – – водородная связь (энергия связи О – – – Н 21 кДж/моль),
—— ковалентная (химическая) связь (энергия связи О——Н 456 кДж/моль)

Фазовое состояние воды зависит от количества в ее структуре водородных связей. В случае, когда связи полностью разорваны, вода находится в парообразном состоянии, при температуре 0°С разорванных водородных связей в жидкой воде 15%, если разорванных связей нет, то вода находится в твердом состоянии (лед).
Вода является одним из самых распространенных растворителей. При растворении солей (NaCl, CaCl 2 и др.) в воде происходит сольватация ионов, т.е. электролитическая диссоциация солей по уравнениям:

NaCl + вода -> Na + + Cl –
CaCl2 + вода -> Ca ++ + 2Cl –

Эти процессы сопровождаются тепловыми явлениями и протекают до наступления динамического равновесия при данной температуре воздуха
Ионы кальция или натрия взаимодействуют с молекулами воды и занимают водородные связи, так как ионы и кальция, и натрия более электроотрицательны, чем ионы водорода. При этом нарушается структура воды (льда):

На основании этого делается вывод, что хлористый кальций в два раза эффективнее, чем хлористый натрий при низких температурах. Здесь следует напомнить, что молекулярная масса хлористого натрия 58,5, а молекулярная масса хлористого кальция 111, и простой расчет показывает, что необходимые две молекулы NaCl равнозначны по расходу препарата одной молекуле CaCl 2 .

Читайте также:  Фанера на пеноплекс без лаг

При растворении нелетучего вещества в воде относительное давление пара воды над раствором уменьшается, что вызывает повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания по сравнению с чистой водой. Причем, чем выше концентрация раствора, тем меньше упругость пара.

По закону Рауля в разбавленных растворах не электролитов при постоянной температуре понижение давления пара пропорционально количеству вещества, растворенного в данном весовом количестве растворителя.

Dtз = kз С, где С – концентрация, выраженная в числе молей, растворенных в 1000 г растворителя, kз – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы растворителя, для воды kз = 1,86.
,
где M – молекулярная масса вещества,
m – масса вещества, г.

Следовательно, при растворении в 1000 г воды одного моля вещества, температура замерзания снижается на 1,86°С. Закон Рауля применим только к идеальным и очень разбавленным растворам.

Dtз электролитов и концентрированных растворов практически всегда больше, например, при растворении 1 моля любого неэлектролита изменение температуры всегда равно 1,86°С, при растворении 1 моля хлористого натрия температура замерзания понижается на 3,36°С (по расчету 1,86ґ2=3,72), а 1 моля хлористого кальция примерно -8°С (по расчету 1,86ґ3=5,58). В настоящее время это объясняется увеличением количества сольватированных ионов за счет диссоциации. Ионы рассматриваются как отдельные частицы вещества.

Теплота растворения солей складывается из теплот двух процессов гидратации ионов и растворения. Растворение идет с поглощением тепла (процесс эндотермический), а гидратация с выделением (процесс экзотермический).

Процесс таяния льда протекает с поглощением тепла. Количество теплоты плавления льда Qпл = m l , где
l – удельная теплота плавления. для воды l = 1,4 ккал/г или 80 кал/моль.
m – масса льда.

При попадании противоголодедного препарата (соли) на поверхность льда, его частицы сначала должны раствориться с образованием рассола, который имеет температуру замерзания ниже температуры замерзания воды. Именно раствор соли, пока его концентрация такова, что температура его замерзания ниже температуры плавления льда, растапливает лед. Следовательно, скорость таяния льда и снега зависит от скорости растворения солей и эвтектической температуры растворов.

Скорость таяния снега или льда в соляном растворе зависит от диффузии ионов из концентрированного соляного раствора в менее концентрированный. Коэффициент диффузии зависит от концентрации соли, подвижности ионов, температуры.

На рисунке 3 и в таблице 1 приведены справочные данные по растворимости хлоридов натрия, кальция, калия и магния в зависимости от температуры. Знаком (*) отмечены концентрации и температуры, соответствующие точке эвтектики для каждой соли.

Таблица 1. Температура замерзания растворов противогололедных реагентов

Температура замерзания, °С

Температура замерзания раствора зависит от его концентрации. Снижение температуры замерзания идет до достижения раствором точки эвтектики. При понижении температуры кристаллизуется чистый растворитель, т.е. выделяются кристаллы льда, следовательно, повышается концентрация соли в растворе и соответственно понижается температура замерзания, при дальнейшем понижении температуры снова выделяются кристаллы льда и повышается концентрация соли. В момент достижения точки эвтектики совместно с кристаллами льда выделяются кристаллы соли, смесь которых и называется эвтектикой. Хлористый натрий достигает точки эвтектики при концентрации раствора 23,3 % (-21,2°С), хлористый кальций – при концентрации 29,5 % (- 51°С), хлорид магния с концентрацией 21,0 % (-33,5°С), ацетат калия – 50% (- 60°С). При дальнейшем росте концентрации солей температура кристаллизации повышается, в твердую фазу выделяются кристаллы соли. В процессе плавления льда растворы хлоридов разбавляются, концентрация падает. Разбавленные растворы имеют температуру замерзания выше, чем концентрированные и могут замерзнуть, вызывая дополнительную скользскость. Поэтому на практике хлористый натрий рационально использовать при температуре воздуха до -12°С, хлористый кальций – до -34°С

Процесс растворения кристаллов NaCl идет с поглощением тепла и протекает очень медленно. Кристаллу соли, помещенному на сухую поверхность, первоначально необходимо накапить тепловую энергию из окружающей среды до момента, пока на поверхности кристалла не образуется жидкая пленка. Образовавшийся раствор активизирует растворение оставшейся соли. Под действием собственного веса и при относительно медленной степени растворимости отдельные частицы хлористого натрия проникают через слой льда на поверхность дорожного покрытия, что, в результате, ослабляет связь между дорожным полотном и слоем льда. Рассол, образующийся вокруг этих частиц, растекаясь по дорожному покрытию, отслаивает лед от дорожного покрытия. После того как кристалл растворится, он продолжает накапливать тепловую энергию. Такой процесс с поглощением тепла называется эндотермической реакцией.

Читайте также:  Гидро пароизоляция axton с инструкция по применению

Влага или жидкость, находящаяся на дорожном покрытии, может ускорить процесс растворения. Жидкость можно распылять непосредственно на дорожное полотно или добавить ее к соли, до того как она будет внесена на поверхность льда, т.е. предварительно увлажнить хлористый натрий водой или раствором хлористого кальция.

Растворение хлористого кальция происходит значительно быстрее, чем растворение хлористого натрия. Причина в том, что хлористый кальций одновременно гигроскопичен и растворим в поглощенной из воздуха влаге (CaCl 2 при температуре воздуха от 0°С до -9°С абсорбирует влагу уже .при относительной влажности 42 % и выше, в то время как NaCl начинает абсорбировать влагу только при относительной влажности 76 % и выше). Таким образом, хлористый кальций в твердом состоянии абсорбирует влагу до тех пор, пока не растворится. Рассол будет продолжать абсорбировать влагу до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между упругостью паров раствора и упругостью паров воздуха. Если влажность воздуха повышена, то раствор абсорбирует больше влаги. Если влажность пониженная, то вода будет испаряться из раствора. Во время растворения хлористого кальция выделяется большое количество тепла. Такой процесс с выделением тепла называется экзотермическим. Известно, что с большим выделением тепла идет процесс образования гидратов (гидротация). Молекула хлористого кальция присоединяет 6 молекул воды с образованием кристаллогидрата CaCl 2 6H2O. Растворение кристаллогидрата идет с поглощением тепла. Например, при растворении 1 моля безводного хлористого кальция выделяется 17,4 ккал, при растворении 1 моля шестиводного кристаллогидрата поглощается 4,3 ккал. Следовательно, теплота гидратации хлористого кальция равна 21,7 ккал, (17,4+4,3=21,7)

Использование хлористого кальция для борьбы с зимней скользкостью ограничивается температурой ?34°С. Благодаря большой скорости растворения, меньшее количество хлористого кальция затрачивается в период снегоуборочных работ .

Сравнение термодинамических характеристик противогололедных препаратов приведено в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение термодинамических характеристик противогололедных препаратов.

Температура – замерзание – рассол

Температура замерзания рассола ( см. табл. 2) должна быть на 8 ниже температуры кипения аммиака при рабочих условиях. [1]

Температура замерзания рассола всегда ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации растворенных солей. [2]

Температура замерзания рассола должна быть – 30 С. [3]

Температура замерзания рассола должна быть на 8 ниже температуры кипения аммиака при рабочих условиях. [4]

Температуру замерзания рассола поддерживают такой, чтобы она была ниже температуры кипения холодильного агента на 5 С для испарителей открытого типа и на 8 С – для испарителей закрытого типа. Концентрацию рассола определяют из таблиц по плотности. При помощи концентратора или другим способом восстанавливают концентрацию рассола в системе. [5]

Концентрацию и температуру замерзания рассола определяют с помощью таблиц по его удельному весу, который измеряют ареометром. Теплопередающую поверхность испарителя очищают от загрязнений в период ремонта холодильной установки. [6]

Концентрацию и температуру замерзания рассола определяют с помощью таблиц по его удельному весу. Удельный вес рассола измеряют ареометром. [8]

Для закрытой системы охлаждения температура замерзания рассола должна быть на 8 – 10 С ниже температуры кипения. По табл. 4.1 принимаем раствор хлористого кальция с температурой замерзания – 21 2 С. [9]

Концентрацию NaCl подбирают опытным путем так, чтобы температура замерзания рассола была около – 20 6 С. Для получения растворов с более низкой температурой замерзания ре-применять СаС12; при этом концентрацию соли не-иоддерживать на таком уровне, чтобы температура за-рассола была равна минимальному значению температуры зон вечномерзлых пород. [10]

Левые ветви кривых показывают, что с увеличением концентрации соли температура замерзания рассола понижается. Это понижение происходит до криогидратной точки, которой соответствует самая низкая температура замерзания. Увеличение концентрации соли выше криогидратной точки, наоборот, влечет за собой повышение температуры замерзания, что характеризуется правыми ветвями кривых. [11]

При этом за температуру смеси в случае отсутствия фактических данных может быть приближенно принята температура замерзания рассола соответствующей концентрации . [12]

Растворив в 100 л воды 30 1 кг поваренной соли, мы можем довести температуру замерзания рассола до – 21 2 С. Однако дальнейшее повышение концентрации рассола вызывает уже не снижение, а повышение температуры замерзания. [14]

Вымораживание основано на использовании явления разделения кристаллов пресного льда и рассола при замерзании соленой воды. Температура замерзания рассола ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации солей. Поэтому в твердое состояние вначале переходит чистая вода, а рассол в виде вакуолей оказывается включенным в массу пресного льда. [15]

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *