Under the hood: The chemistry of cars - Cynthia Chubbuck

Под капотом: автомобильная химия — Синтия Чабак

Переводчик: Sandibek Rysbay Редактор: Aliaksandr Autayeu

There are over one billion cars in the world today,

Больше миллиарда машин в мире

getting people where they need to go,

доставляют людей до места назначения.

but cars aren't just a mode of transportation,

Но автомобиль — это не только средство передвижения.

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

Автомобиль может преподать вам урок химии.

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

Когда вы заводите машину, в цилиндрах двигателя происходит процесс,

where a spritz of gasoline from the fuel injector

при котором выброс топлива из инжектора

and a gulp of air from the intake valve

и поток воздуха из впускного клапана

mix together before being ignited by a spark,

смешиваются и зажигаются искрой,

forming gases that expand and push the piston.

формируя газы, которые расширяются и оказывают давление на поршень.

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

Но возгорание — это экзотермическая реакция, что означает, в ней выделяется тепло.

Lots of it.

Много тепла.

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

И, в то время как большая часть тепла выходит через выхлопную трубу,

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

тепло, оставшееся в блоке цилиндра нужно поглотить, перенести и распределить,

to protect the metal components from deforming or even melting.

чтобы защитить металлические детали от деформации или даже плавления.

This is where the cooling system comes in.

Именно теперь вступает в работу система охлаждения.

A liquid gets circulated throughout the engine,

Начинается вращение жидкости в двигателе.

but what kind of liquid can absorb all that heat?

Но какая жидкость может поглотить всё это тепло?

Water may seem like an obvious first choice.

На первый взгляд, вода является очевидным выбором.

After all, its specific heat,

Ведь её удельная теплоёмкость —

the amount of energy required to raise the temperature

количество энергии, требуемое для повышения температуры

of a given amount by one degree Celsius,

данного объёма на один градус Цельсия —

is higher than that of any other common substance.

выше чем у любого другого вещества.

And we have a lot of heat energy to absorb.

И необходимо поглотить большое количество теплоты.

But using water can get us into deep trouble.

Но использование воды может вызвать большие затруднения.

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

Во-первых, температура замерзания воды — 0°С.

Since water expands as it freezes,

Так как вода при замерзании расширяется,

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

морозная зимняя ночь может привести к трещинам в радиаторе или повреждениям блока,

a chilling prospect.

Далеко не радужная картина.

And considering how hot car engines can get,

А если вспомнить, как сильно нагревается двигатель,

the relatively low boiling point of 100 degrees Celsius

относительно низкая температура кипения 100°C

can lead to a situation that would get anyone steamed.

может заставить самых хладнокровных закипеть.

So, instead of water, we use a solution,

Поэтому, вместо воды мы используем раствор,

a homogeneous mixture consisting of a solute and a solvent.

а именно, однородную смесь растворителя и растворенного вещества.

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

Некоторые свойства раствора зависят от концентрации растворенного вещества.

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

Такие свойства называются коллигативными, и к счастью или несчастью,

they include freezing point depression and boiling point elevation.

к ним относятся понижение точки замерзания и повышение точки кипения.

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

Итак, раствор имеет более низкую температуру замерзания и более высокую температуру кипения

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

чем растворитель; и чем больше растворенного вещества,

So, why do these properties change?

тем больше эта разница. Так почему же эти свойства непостоянны?

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

Прежде всего, нужно понимать, что температура — это величина

of the particle's average kinetic energy.

измерения средней кинетической энергии частицы.

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

Чем холоднее жидкость, тем меньше этой энергии, и тем медленнее

and the slower the molecules move.

движутся молекулы.

When a liquid freezes, the molecules slow down,

Когда жидкость замерзает, движение молекул замедляется до скорости,

enough for their attractive forces to act on each other,

достаточной для взаимодействия силы притяжения,

arranging themselves into a crystal structure.

под воздействием которой образуются кристаллические структуры.

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

Но присутствующие частицы растворенного вещества препятствуют притяжению,

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

заставляя раствор охлаждаться дальше, прежде чем произойдёт кристаллизация.

As for the boiling point, when a liquid boils,

Что касается температуры кипения, когда жидкость закипает,

it produces bubbles filled with its vapor,

образуются пузыри пара,

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

но чтобы пузырь образовался, давление пара должно достичь

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

величины постоянного давления, оказываемого атмосферой на поверхность жидкости.

As the liquid is heated, the vapor pressure increases,

При нагревании жидкости давление пара растёт,

and when it becomes equal to the atmospheric pressure,

и когда оно достигает величины атмосферного давления,

the bubbles form and boiling occurs.

образуются пузыри, и происходит кипение.

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

Давление пара раствора ниже, чем у растворителя,

so it must be heated to an even higher temperature

поэтому раствор нужно нагреть ещё больше,

before it can match the strength of the atmosphere.

прежде чем давление сравняется с величиной атмосферы.

As an added bonus, the pressure in the radiator

И что ещё лучше, давление в радиаторе

is kept above atmospheric pressure,

держится на величине выше атмосферного,

raising the boiling point by another 25 degrees Celsius.

поднимая температуру кипения ещё на 25 °C.

The solution commonly used for a car's cooling system

Раствор, обычно используемый для охлаждения автомобиля,

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

состоит из равных частей этиленгликоля и воды.

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

Он замерзает при 37 °C и закипает при 106 °C.

At the highest recommended proportion of 70 to 30,

При самой высокой возможной пропорции 70:30

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

температура замерзания ещё ниже — 55 °C,

and the boiling point rises to 113 degrees Celsius.

а температура кипения повышается до 113 °C.

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

Как видите, чем больше этиленгликоля,

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

тем выше уровень защиты. Так почему бы не добавить больше?

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

Оказывается, иногда хорошего может быть слишком много.

because at higher proportions,

Так, при более высокой пропорции

the freezing point actually starts to go back up.

температура замерзания начинает обратно повышаться.

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

Свойства раствора становятся подобными свойствам этиленгликоля,

which freezes at -12.9 degrees Celsius,

который замерзает при 12,9 °C,

a higher temperature than we attained with the solution.

что превышает температуру замерзания раствора.

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

Раствор растекается в двигателе, поглощая при этом теплоту.

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

Когда он достигает радиатора, он охлаждается вентилятором,

as well as air rushing through the front of the car

а также воздухом, циркулирующим в передней части машины,

before returning to the hot engine compartment.

прежде чем вернуться в горячий двигатель.

So, an effective and safe engine coolant

Таким образом, эффективная и безопасная охлаждающая жидкость

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

должна иметь определённый высокий уровень теплоты и температуры кипения,

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

и низкую точку замерзания. Но вместо того, чтобы искать самую лучшую жидкость в мире,

we can create our own solution.

мы можем создать свой собственный раствор.