Under the hood: The chemistry of cars - Cynthia Chubbuck

Translator: Mitra Shishegari Reviewer: Amir Pouya Cheraghi

There are over one billion cars in the world today,

امروزه میلیاردها خودرو در دنیا وجود دارد،

getting people where they need to go,

که مردم را به جایی که می‌خواهند می‌برند،

but cars aren't just a mode of transportation,

اما خودروها فقط وسیله حمل و نقل نیستند،

they're also a chemistry lesson waiting to be taught.

آنها همچنین درس شیمی هستند که منتظرند درس داده شوند.

The process of starting your car begins in the engine cylinders,

فرآیند روشن شدن خودروی شما از سیلندرهای موتور شروع می‌شود،

where a spritz of gasoline from the fuel injector

جایی که سوخت پاش بنزین از انژکتور سوخت

and a gulp of air from the intake valve

و مقداری هوا از دریچه ورودی هوا

mix together before being ignited by a spark,

قبل از جرقه مشتعل شود، باهم مخلوط می‌شوند،

forming gases that expand and push the piston.

و گازهایی را تشکیل می‌دهند که پیستون را منبسط کرده و فشار وارد می‌کنند.

But combustion is an exothermic reaction, meaning it releases heat.

اما احتراق یک واکنش گرمازا است، به این معنی که گرما آزاد می‌کند.

Lots of it.

بسیاری از آن.

And while much of this heat escapes through the tail pipe,

و اگرچه بسیاری از آن از طریق لوله عقب از بین می‌رود،

the heat that remains in the engine block needs to be absorbed, transported, and dissipated

گرمایی که در موتور باقی مانده است، نیاز به جذب، انتقال و اتلاف دارد

to protect the metal components from deforming or even melting.

تا از تغییر شکل و یا حتی ذوب اجزای فلزی محافظت کند.

This is where the cooling system comes in.

اینجاست که سیستم خنک کننده وارد می‌شود.

A liquid gets circulated throughout the engine,

مایعی در سراسر موتور می‌چرخد،

but what kind of liquid can absorb all that heat?

اما چه مایعی قادر به جذب آن همه گرما را دارد؟

Water may seem like an obvious first choice.

شاید آب بطور مسلم اولین گزینه باشد.

After all, its specific heat,

چرا که گرمای ویژه آب،

the amount of energy required to raise the temperature

مقدار انرژی لازم برای بالا بردن دمای

of a given amount by one degree Celsius,

مقدار معینی آب به اندازه یک درجه سلسیوس،

is higher than that of any other common substance.

بیشتر از هر ماده رایج دیگری است.

And we have a lot of heat energy to absorb.

و ما انرژی گرمایی زیادی برای جذب داریم.

But using water can get us into deep trouble.

اما استفاده از آب موجب مشکلات زیادی می‌شود.

For one thing, its freezing point is zero degrees Celsius.

اولین مثال، نقطه انجماد آن است که در صفر درجه سلسیوس اتفاق می‌افتد.

Since water expands as it freezes,

از آنجایی که آب به هنگام انجماد منبسط می‌شود،

a cold winter night could mean a cracked radiator and a damaged engine block,

یک شب سرد زمستان یعنی رادیاتوری ترک خورده و بلوک سیلندر آسیب دیده،

a chilling prospect.

احتمالی برای خنک‌‌ شدن.

And considering how hot car engines can get,

با توجه به اینکه چقدر موتورماشین می‌تواند داغ شود،

the relatively low boiling point of 100 degrees Celsius

و نقطه‌ی جوش ۱۰۰ درجه سلسیوس

can lead to a situation that would get anyone steamed.

می‌تواند منجر به جوش آوردن خودروی هر فردی شود.

So, instead of water, we use a solution,

پس به جای آب، از محلولی دیگر استفاده می‌کنیم،

a homogeneous mixture consisting of a solute and a solvent.

مخلوطی همگن از محلول و حلال.

Some of the solution's properties will differ depending on the proportion of solute present.

برخی از خصوصیات محلول بسته به غلظت ذرات ماده حل شده در آن، متفاوت است.

These are called colligative properties, and as luck would have it,

به این خواص کولیگاتیو گفته می‌شود، و به صورت اتفاقی،

they include freezing point depression and boiling point elevation.

آنها شامل پایین آمدن نقطه انجماد و بالا رفتن نقطه جوش می‌شوند.

So, solutions have both a lower freezing point and a higher boiling point than pure solvent,

پس محلول‌ها نسبت به حلال‌های خالص نقطه انجماد پایین‌تر و نقطه جوش بالاتری دارند،

and the more solute is present, the bigger the difference.

و هرچه غلظت آن بیشتر باشد، تفاوت هم بیشتر خواهد بود.

So, why do these properties change?

پس، چرا این ویژگی‌ها تغییر می‌کنند؟

First of all, we need to understand that temperature is a measure

اول از همه اینکه، باید بدانیم دما شاخصی برای اندازه‌گیری

of the particle's average kinetic energy.

متوسط انرژی جنبشی ذرات است.

The colder the liquid, the less of this energy there is,

هرچه مایع سردتر باشد، وجود این انرژی کمتر خواهد بود.

and the slower the molecules move.

و مولکول ها کندتر حرکت می‌کنند.

When a liquid freezes, the molecules slow down,

وقتی مایعی منجمد می‌شود، مولکول‌ها کند می‌شوند،

enough for their attractive forces to act on each other,

برای نیروهای جاذب خود کافی هستند تا برهم اثر کنند،

arranging themselves into a crystal structure.

و خود را در ساختار کریستالی قرار دهند.

But the presence of solute particles gets in the way of these attractions,

اما ذرات حل شونده در میان راه جذب این جاذب‌ها می‌شوند،

requiring a solution to be cooled down further before the arrangement can occur.

و قبل از اینکه ساختار شکل بگیرد مستلزم یک محلول برای پایین آوردن دما است.

As for the boiling point, when a liquid boils,

همینطور برای نقطه جوش، زمانی که مایع می‌جوشد،

it produces bubbles filled with its vapor,

حباب‌های پر از بخار خود تولید می‌کند،

but for a bubble to form, the vapor pressure must become as strong

اما برای تشکیل یک حباب، فشار بخار باید به اندازه‌ی اتمسفری

as the atmosphere constantly pushing down on the surface of the liquid.

که بطور مداوم به مایع فشار وارد می‌کند، قوی باشد.

As the liquid is heated, the vapor pressure increases,

وقتی که به مایع گرما داده می‌شود، فشار بخار افزایش می‌یابد،

and when it becomes equal to the atmospheric pressure,

و وقتی فشار آن با فشار اتمسفر برابر شود،

the bubbles form and boiling occurs.

حباب شکل می‌گیرد و جوشیدن اتفاق می‌افتد.

A solution's vapor pressure is lower than that of pure solvent,

فشار بخار یک محلول پایین‌تر از حلال خالص است،

so it must be heated to an even higher temperature

بنابراین حتی باید تا دمای بالاتری به آن گرما داده شود

before it can match the strength of the atmosphere.

تا بتواند با قدرت اتمسفر همخوانی کند.

As an added bonus, the pressure in the radiator

به عنوان مزیتی بیشتر، فشار در رادیاتور

is kept above atmospheric pressure,

بالای فشار اتمسفر نگه داشته می‌شود،

raising the boiling point by another 25 degrees Celsius.

که منجر می‌شود نقطه‌ی جوش ۲۵ درجه سلسیوس دیگر بالاتر رود.

The solution commonly used for a car's cooling system

محلولی که بطور معمول برای خنک کردن سیستم خودرو استفاده می‌شود

is a 50/50 mixture of ethylene glycol and water,

بطور برابر نصفش اتیلن گلیکل و نصف دیگرش آب است،

which freezes at -37 degrees Celsius and boils at 106 degrees Celsius.

که در دمای ۳۷ درجه سلسیوس منجمد می‌شود و در ۱۰۶ درجه به جوش می‌رسد.

At the highest recommended proportion of 70 to 30,

در بالاترین نسبت توصیه شده، یعنی ۷۰ به ۳۰،

the freezing point is even lower at -55 degrees Celsius,

نقطه انجماد حتی پایین‌تر است، ۵۵- درجه سلسیوس،

and the boiling point rises to 113 degrees Celsius.

و نقطه جوش آن به ۱۱۳ درجه می‌رسد.

As you can see, the more ethylene glycol you add,

همانطور که می‌بینید، هرچه اتیلن گلیکل بیشتری اضافه شود،

the more protection you get, so why not go even higher?

محافظت بیشتری خواهید داشت، بنابراین چرا درصدش را بالاتر نبریم؟

Well, it turns out you can have too much of a good thing

معلوم شد که نمی‌توانید زیادی از یک چیز خوب داشته باشید

because at higher proportions,

چون در نسبت‌های بالاتر،

the freezing point actually starts to go back up.

نقطه انجماد دوباره بالاتر می‌رود.

The properties of the solution head towards the properties of ethylene glycol,

ویژگی‌های محلول به سمت، ویژگی‌های اتیلن گلیکل می‌روند،

which freezes at -12.9 degrees Celsius,

که در ۱۲/۹- درجه سلسیوس منجمد می‌شود،

a higher temperature than we attained with the solution.

دمایی بالاتراز دمایی که از محلول بدست آوردیم.

The solution flows through the engine, absorbing heat along the way.

محلول در موتور جریان پیدا می‌کند، و گرما را در سراسر مسیرش جذب می‌کند.

When it reaches the radiator, it's cooled by a fan,

وقتی به رادیاتور می‌رسد، از طریق یک پنکه خنک می‌شود،

as well as air rushing through the front of the car

همچنین هوا قبل از بازگشت به محفظه داغ موتور

before returning to the hot engine compartment.

در جلوی خودرو جریان دارد.

So, an effective and safe engine coolant

بنابراین، یک مایع خنک کننده‌ موثر و ایمن

must have a high specific heat, a low freezing point, and a high boiling point.

باید گرمای ویژه‌ی بالا، نقطه انجماد پایین و نقطه جوش بالا داشته باشد.

But instead of searching all over the world for the perfect liquid to solve our problem,

اما به جای جستجو در کل دنیا برای یافتن بهترین مایع برای حل این مشکل،

we can create our own solution.

می‌توانیم محلول خودمان را بسازیم.