Почему чистый концентрат антифриза замерзает раньше, чем смесь с водой? Меняй долю гликоля и смотри, при какой температуре замерзнет и закипит система охлаждения.
Группа OH умеет образовывать водородные связи: водород одной молекулы притягивается к кислороду соседней. Поэтому метанол кипит при +65 °C, а метан той же величины уже при −162 °C. Этиленгликоль с двумя группами OH кипит почти при +200 °C, а глицерин с тремя густой, как сироп. Те же группы OH цепляются за молекулы воды, и спирты с ней смешиваются в любых долях.
В антифризе это главное. Молекулы гликоля встают между молекулами воды и мешают им собраться в кристалл льда. Смесь замерзает намного ниже нуля. Но работает это только вместе с водой: у чистого гликоля свой кристалл, и он замерзает около −13 °C. Поэтому концентрат разбавляют, а самая морозостойкая смесь получается около 60 % гликоля.
Осторожно. Метанол и этиленгликоль ядовиты. Антифриз сладковатый на вкус, поэтому его хранят в подписанной таре, подальше от детей и животных, и никогда не переливают в бутылки из-под напитков. Пропиленгликоль намного менее ядовит, но и его пить нельзя.
ⓘ Температуры замерзания и кипения взяты из справочных таблиц для смесей по объему. Количество льда ниже температуры замерзания посчитано по правилу рычага, вязкость и теплоемкость оценены по таблицам с интерполяцией.
Три формулы объясняют, что делает гликоль в системе охлаждения: опускает температуру замерзания, а крышка радиатора поднимает температуру кипения. Платить за это приходится теплоемкостью. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, которая сейчас важнее всего, подсвечена.
Насколько опускается замерзание
Чем больше растворенных молекул приходится на килограмм воды, тем ниже замерзает раствор. Для воды K = 1,86 °C·кг/моль. Формула точна для слабых растворов, для крепких дает оценку.
Кипение под давлением крышки
Крышка держит пар внутри, давление растет, и жидкости нужно больше энергии, чтобы закипеть. Каждые 0,1 бара добавляют около 2,5 °C.
Сколько жидкости должен качать насос
Чтобы унести одно и то же тепло, жидкости с меньшей теплоемкостью надо прокачать больше. За базу взята чистая вода.
Левая ветвь: в смеси больше воды, и при охлаждении замерзает именно вода. Гликоль мешает ей, поэтому чем его больше, тем ниже точка замерзания. Правая ветвь: гликоля больше, и при охлаждении кристаллизуется уже сам гликоль. Добавка воды мешает ему так же, как гликоль мешал воде. Ветви встречаются в нижней точке, она называется эвтектикой. Для этиленгликоля это около −50 °C при 60 % по объему.
Ниже точки замерзания смесь не превращается в камень сразу. Сначала выпадают кристаллы льда, а оставшаяся жидкость становится крепче и замерзает еще ниже. Долю льда находят по правилу рычага: если смесь с 40 % гликоля охладить до температуры, при которой замерзает 50-процентная, жидкой останется 40/50 = 80 % смеси, а 20 % станет льдом. Такая каша еще течет, но насос и тонкие трубки радиатора она забивает.
Двигатель автомобиля, трактора или самосвала охлаждает смесь гликоля с водой. Зимой она не дает льду разорвать радиатор и блок цилиндров, летом под давлением крышки не кипит до 120 °C и выше. В концентрат добавляют присадки против коррозии и накипи.
Механик проверяет смесь рефрактометром: капля на стекле, и на шкале сразу видна температура замерзания. Ареометр делает то же по плотности. Если антифриз разбавляли водой, видно сразу.
Зимняя жидкость для омывателя это вода с изопропанолом или этанолом. Они замерзают при −89 и −114 °C и опускают замерзание смеси. Метанол в омывателях запрещен: его пары ядовиты.
В системах отопления загородных домов и в холодильных установках пищевых заводов используют пропиленгликоль: если случится протечка, он намного безопаснее этиленгликоля.
Перед вылетом зимой самолет обливают горячей смесью гликоля с водой: она смывает лед и на время не дает намерзнуть новому. Похожие смеси используют для полос и дорог.
Этанол и изопропанол дезинфицируют руки и инструменты. Пропиленгликоль и глицерин удерживают влагу в мазях, кремах, сиропах и жидкостях для лекарств. Все эти вещества тоже держатся на группах OH.
Температуры замерзания и кипения этиленгликоля взяты из справочной таблицы для смесей по объему (0–100 %), между точками кривая плавно интерполируется. Для пропиленгликоля табличные данные есть до 60 %, при большей доле он не кристаллизуется четко, а густеет, поэтому кривая дальше не продолжена. Количество льда ниже точки замерзания посчитано по правилу рычага. Кипение под давлением оценено по уравнению Клапейрона и Клаузиуса с теплотой испарения воды, атмосферное давление 101,3 кПа. Вязкость оценена по табличным значениям для чистого гликоля и смеси 60 % с интерполяцией по логарифму, теплоемкость по таблице для 20 °C. Реальные антифризы содержат присадки и краситель, их свойства немного другие. Опыт показывает химию смеси и не заменяет инструкцию производителя машины.