По мотивам статьи про фреон для пожаротушения: habrahabr.ru/company/3mrussia/blog/200840
В комментариях появилась куча желающих использовать эту жидкость для создания компьютера, погруженного в жидкость. Попытаюсь обосновать, почему это плохая идея. Жидкость буду называть фреоном, потому что так короче и в целом это и есть фреон. Для полного восприятия желательно помнить химию и физику в объеме чуть меньше школьной программы, ну или уметь быстро загуглить. Заодно проверю свое давнее подозрение о том, что образованный и умеющий пользоваться мозгом человек может базово освоить абсолютно постороннюю область знаний за очень короткое время. Вещи, описанные в посте, для меня очевидны, поэтому где-то мог упустить ключевые для понимания моменты. Пишите в комментариях, буду исправлять. И подскажите, как вставлять ТеХовские формулы в пост — переделаю нынешний ужас.
Самые базовые вещи.
1 моль — это такое количество вещества, которое содержит 6.02e23 молекул, атомов или каких-то других частиц по нашему усмотрению. Для пересчета молей в килограммы и обратно используется молярная масса вещества, т.е. масса одного моля. Для фреона это 316.04 г/моль.
Система — та область пространства, которую мы рассматриваем. В нашем случае это может быть аквариум с фреоном и потрохами компьютера. Фаза — это такая область системы, в которой физические и химические свойства одинаковы или имеют небольшой градиент. Фазы разделены границами раздела фаз. На границе фаз какие-то свойства меняются скачком. Фаза может быть несвязной и состоять из более чем одного фрагмента. Пример:
Имеем такие фазы: вода, лед, стакан, воздух. Лед лежит несколькими кусками, но идет в зачет как одна фаза, потому что состав и физ. свойства у всех кусочков одинаковые.
Показывает, сколько растворенного вещества находится в нашем растворе. Термины раствор, растворитель, растворенное вещество считаю интуитивно понятными. Единицы измерения — например г/л. Тонкий момент — по умолчанию объем берется для всего раствора, а не для растворителя. При смешивании веществ объем смеси скорее всего не будет равен сумме объемов компонентов. Раствор у нас всегда однородный, границы раздела фаз допустимы только с атмосферой и стенками емкости. Для каждой пары растворитель-растворенное вещество почти всегда есть предельная концентрация, она же растворимость, она же концентрация насыщенного раствора. Опять-таки, ссылаюсь на интуицию и не расписываю подробно. Например, для пищевой соли NaCl и воды это 36 г соли на 100 мл воды при 25 по Цельсию. Если попытаться сделать раствор с бОльшей концентрацией, то получится насыщенный раствор, а лишняя соль ляжет на дно. Иногда растворимость неограничена, и тогда можно создать раствор с любой концентрацией от 0 до 100%. Как здесь, например:
Слева тоже раствор, хоть и твердый. Но не будем лезть в дебри. Растворимость можно косвенно определить даже для почти нерастворимых веществ, просто она будет очень маленькой.
Еще чуть усложним. Возьмем не один растворитель, а два, но такие, которые не смешиваются между собой. Например, воду и масло. Очевидно, что они расслоятся. Теперь добавим туда маленькое количество нашего фреона и устроим shake it baby.
После того, как обе жидкости расслоятся обратно, фреон как-то распределится между растворителями, и мы получим два ненасыщенных (потому что фреона очень мало) раствора с разными концентрациями. Отношение этих концентраций (водный раствор в знаменателе) называется константой распределения. Обычно работают с ее десятичным логарифмом. Константа имеет свое значение для каждой пары растворителей, и поменяется при замена масла на бензин. Чем больше константа, тем больше склонность фреона переходить из воды в этот растворитель.
Они же смеси газов. Самый удобный в прикладных расчетах способ выражения содержания газа в смеси — парциальное давление. Это общее давление газовой смеси, умноженное на объемную долю газа в смеси. Пример: давление воздуха 101,3 кПа, кислорода в нем 21% по объему. Итого парциальное давление кислорода в воздухе 101.3*0.21=21.3 кПа.
Ровно одно уравнение состояния идеального газа имени Менделеева-Клапейрона:
pV=nRT, где p — давление, V — объем, n — количество вещества в молях, R — универсальная газовая постоянная (8.314 в системе СИ), T — температура в Кельвинах. Подставляем величины в системе СИ, считаем. Формула применима к парциальным давлениям.
Частный случай распределения фреона в системе жидкость-воздух.
p=k*c, где p — парциальное давление, k — константа, с — концентрация вещества в жидкости. Для фреона константа «большая», как указано в одном из документов по безопасности. Это говорит о том, что фреон будет активно переходить из воды в воздух.
Возьмем банку жидкого фреона, откроем ее и поставим на столе в герметично закупоренной комнате. Он начнет испаряться. Чтобы испарить фреон, надо сообщить ему некоторую энергию — теплоту испарения. В нашем случае она может взяться из кинетической энергии молекул системы. Она тратится на отрыв молекулы фреона от общей жидкой массы и вталкивание ее в среду газа. Если же у молекулы фреона в газовой фазе этой энергии не будет, то она скорее всего прилипнет к поверхности жидкости — произойдет конденсация. То есть имеем два встречных процесса — испарение жидкости и конденсацию паров. Скорость испарения в первом приближении увеличивается с ростом температуры жидкости, скорость конденсации — с ростом парциального давления фреона в воздухе. Очевидно, что по мере испарения фреона его парциальное давление (=содержание его в воздухе комнаты) будет расти, и процесс конденсации будет ускоряться. А потом скорость конденсации сравняется со скоростью испарения, и система придет в динамическое равновесие. В воздухе получится некое стабильное парциальное давление фреона. Это называется давление насыщенных паров. Оно зависит только от температуры и растет при нагреве. Когда давление насыщенных паров сравнивается с атмосферным — жидкость начинает кипеть.
Клаузиус и Клапейрон полтора столетия назад вывели уравнение, связывающее температуру, теплоту испарения и давление насыщенных паров. В слегка упрощенной форме, удобной для применения оно выглядит так:
где P — давление паров, L — теплота испарения, RT — смотри выше, C — константа интегрирования. Мы можем ее найти из условия про температуру кипения и давление насыщенных паров, равное атмосферному. Итого при Т=322 К и L=88.1 кДж/кг = 27.8 кДж/моль P должно составить 101.3 кПа, т.е. lnP=11.53.
Получаем C = 21.93
Рассчитаем давление паров при комнатной температуре, например 18С.
P=33.5 кПа. Это 30% по объему! Дышать таким явно нельзя, хорошо хоть ничего не загорится. Такая концентрация фреона сильно больше необходимой для тушения пламени.
Замечания про герметичный корпус. В этом случае давление насыщенных паров будет суммироваться с тем, которое внутри корпуса помимо фреона. То есть при герметизации корпуса с воздухом внутри при 25 градусах внутри будет 1.3 атм, при 49 градусах — 2.0 атм, и так далее. Это накладывает некие требования на прочность стенок и герметизацию. Как учесть неравномерный нагрев? Например, процессор греется до 70С, а материнка холодная. В этом случае будет локальное вскипание жидкости и очень быстрое выравнивание температуры за счет переноса тепла паром фреона. Так что приблизительно надо брать среднюю температуру по больнице, т.е. объему корпуса.
Предположим крайний случай любви к искусству. Комп с фреоном, комната герметичная, пользователь в ОЗК и изолирующем противогазе. Комнату возьмем 5х4х3 метров, общий объем 60 кубов, температура 18С. Сколько фреона улетит в атмосферу? Давление из предыдущего расчета подставляем в уравнение состояния газа, получаем n=830 моль. Это 262 кг или 152 литра. Вот такая бочка:
Это просто фреон, который будет спокойно висеть в воздухе не очень большой комнаты.
Токсичность можно оценить количественно. Для этого обычно используются два набора параметров: ПДК и ЛД50. ЛД50 — способность вещества вызвать острое отравление. Это разовая доза, после которой дохнет 50% подопытных зверушек. При этом исследователь ставит звездочку и мелким шрифтом указывает, с какими именно зверушками был эксперимент и как вводили вещество — с едой, водой, воздухом, на кожу, по вене, внутрибрюшинно итд. Измеряется обычно в мг/кг пока еще живого веса.
ПДК — это предельно допустимая концентрация нашего вещества. Для нее оговаривается где оно находится и в каких условиях оно действует. Например, может быть ПДК в воздухе рабочей зоны, а может быть ПДК в пище. ПДК показывает токсичность вещества при длительном воздействии и косвенно — склонность к накоплению в организме. Единицы измерения на постсоветском пространстве обычно мг/кг для пищи и мг/м3 для воздуха. В англоязычной литературе любят ppm — part per million, обычно по массе. Несложный пересчет показывает, что 1 ppm = 1 мг/кг. Для успокоения общественности используются различные варианты заведомо безопасных концентраций — например берем ПДК и делим на 100. Потребителю от этого спокойней. Понятно, что чем ЛД50 и ПДК меньше, тем вещество токсичней. Между величинами ЛД50 и ПДК связи в общем случае нет.
Для нашего фреона ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 150 ppm (пункт 8.3 MSDS). Для сравнения с предыдущим расчетом пересчитаем на давление пара: 150/1e6*101.3 кПа = 15.2 Па. Или в 2000 раз меньше.
Других данных о токсичности не приводится. Судя по всему, исходный фреон можно считать малотоксичным при использовании по назначению, даже при небольших утечках, но есть один нюанс. Повышенная экологичность этого фреона достигается посредством его неустойчивости к ультрафиолету. Под УФ-излучением с длиной волны около 300 нм получается фтороводород и трифторуксусная кислота — штуки относительно безвредные для озонового слоя, но очень неприятные при непосредственном воздействии на человека.
Зачем выше я рассказывал про распределение? С значением константы распределения часто связана токсичность. Мембраны клеток живых организмов представляют собой тонкие слои жира. Для проникновения сквозь нее вещество должно быть жирорастворимым, то есть иметь большую константу распределения вода-масло. Производитель эти данные не дает, но есть способы приблизительно оценить их исходя из строения молекулы. И для фреона он должен быть весьма большим.
Еще момент. Экологичность производства. Здесь я не специалист, так что запросил помощи у органиков. Вполне возможно, что для получения 1 тонны фреона надо затратить 100500 тонн чего-нибудь крайне токсичного. Сразу после получения ответа расскажу про эту сторону вопроса.
Тут всякий оффтоп в картинках
В комментариях появилась куча желающих использовать эту жидкость для создания компьютера, погруженного в жидкость. Попытаюсь обосновать, почему это плохая идея. Жидкость буду называть фреоном, потому что так короче и в целом это и есть фреон. Для полного восприятия желательно помнить химию и физику в объеме чуть меньше школьной программы, ну или уметь быстро загуглить. Заодно проверю свое давнее подозрение о том, что образованный и умеющий пользоваться мозгом человек может базово освоить абсолютно постороннюю область знаний за очень короткое время. Вещи, описанные в посте, для меня очевидны, поэтому где-то мог упустить ключевые для понимания моменты. Пишите в комментариях, буду исправлять. И подскажите, как вставлять ТеХовские формулы в пост — переделаю нынешний ужас.
Про летучесть, образование паров и прочие фазовые переходы
Самые базовые вещи.
Количество вещества, моль
1 моль — это такое количество вещества, которое содержит 6.02e23 молекул, атомов или каких-то других частиц по нашему усмотрению. Для пересчета молей в килограммы и обратно используется молярная масса вещества, т.е. масса одного моля. Для фреона это 316.04 г/моль.
Термодинамическая система, фаза
Система — та область пространства, которую мы рассматриваем. В нашем случае это может быть аквариум с фреоном и потрохами компьютера. Фаза — это такая область системы, в которой физические и химические свойства одинаковы или имеют небольшой градиент. Фазы разделены границами раздела фаз. На границе фаз какие-то свойства меняются скачком. Фаза может быть несвязной и состоять из более чем одного фрагмента. Пример:
Имеем такие фазы: вода, лед, стакан, воздух. Лед лежит несколькими кусками, но идет в зачет как одна фаза, потому что состав и физ. свойства у всех кусочков одинаковые.
Концентрация
Показывает, сколько растворенного вещества находится в нашем растворе. Термины раствор, растворитель, растворенное вещество считаю интуитивно понятными. Единицы измерения — например г/л. Тонкий момент — по умолчанию объем берется для всего раствора, а не для растворителя. При смешивании веществ объем смеси скорее всего не будет равен сумме объемов компонентов. Раствор у нас всегда однородный, границы раздела фаз допустимы только с атмосферой и стенками емкости. Для каждой пары растворитель-растворенное вещество почти всегда есть предельная концентрация, она же растворимость, она же концентрация насыщенного раствора. Опять-таки, ссылаюсь на интуицию и не расписываю подробно. Например, для пищевой соли NaCl и воды это 36 г соли на 100 мл воды при 25 по Цельсию. Если попытаться сделать раствор с бОльшей концентрацией, то получится насыщенный раствор, а лишняя соль ляжет на дно. Иногда растворимость неограничена, и тогда можно создать раствор с любой концентрацией от 0 до 100%. Как здесь, например:
Скрытый текст
Слева тоже раствор, хоть и твердый. Но не будем лезть в дебри. Растворимость можно косвенно определить даже для почти нерастворимых веществ, просто она будет очень маленькой.
Распределение
Еще чуть усложним. Возьмем не один растворитель, а два, но такие, которые не смешиваются между собой. Например, воду и масло. Очевидно, что они расслоятся. Теперь добавим туда маленькое количество нашего фреона и устроим shake it baby.
Скрытый текст
После того, как обе жидкости расслоятся обратно, фреон как-то распределится между растворителями, и мы получим два ненасыщенных (потому что фреона очень мало) раствора с разными концентрациями. Отношение этих концентраций (водный раствор в знаменателе) называется константой распределения. Обычно работают с ее десятичным логарифмом. Константа имеет свое значение для каждой пары растворителей, и поменяется при замена масла на бензин. Чем больше константа, тем больше склонность фреона переходить из воды в этот растворитель.
Газовые растворы
Они же смеси газов. Самый удобный в прикладных расчетах способ выражения содержания газа в смеси — парциальное давление. Это общее давление газовой смеси, умноженное на объемную долю газа в смеси. Пример: давление воздуха 101,3 кПа, кислорода в нем 21% по объему. Итого парциальное давление кислорода в воздухе 101.3*0.21=21.3 кПа.
Расчет параметров газа
Ровно одно уравнение состояния идеального газа имени Менделеева-Клапейрона:
pV=nRT, где p — давление, V — объем, n — количество вещества в молях, R — универсальная газовая постоянная (8.314 в системе СИ), T — температура в Кельвинах. Подставляем величины в системе СИ, считаем. Формула применима к парциальным давлениям.
Закон Генри
Частный случай распределения фреона в системе жидкость-воздух.
p=k*c, где p — парциальное давление, k — константа, с — концентрация вещества в жидкости. Для фреона константа «большая», как указано в одном из документов по безопасности. Это говорит о том, что фреон будет активно переходить из воды в воздух.
Испарение
Возьмем банку жидкого фреона, откроем ее и поставим на столе в герметично закупоренной комнате. Он начнет испаряться. Чтобы испарить фреон, надо сообщить ему некоторую энергию — теплоту испарения. В нашем случае она может взяться из кинетической энергии молекул системы. Она тратится на отрыв молекулы фреона от общей жидкой массы и вталкивание ее в среду газа. Если же у молекулы фреона в газовой фазе этой энергии не будет, то она скорее всего прилипнет к поверхности жидкости — произойдет конденсация. То есть имеем два встречных процесса — испарение жидкости и конденсацию паров. Скорость испарения в первом приближении увеличивается с ростом температуры жидкости, скорость конденсации — с ростом парциального давления фреона в воздухе. Очевидно, что по мере испарения фреона его парциальное давление (=содержание его в воздухе комнаты) будет расти, и процесс конденсации будет ускоряться. А потом скорость конденсации сравняется со скоростью испарения, и система придет в динамическое равновесие. В воздухе получится некое стабильное парциальное давление фреона. Это называется давление насыщенных паров. Оно зависит только от температуры и растет при нагреве. Когда давление насыщенных паров сравнивается с атмосферным — жидкость начинает кипеть.
Зачем все это надо?
Клаузиус и Клапейрон полтора столетия назад вывели уравнение, связывающее температуру, теплоту испарения и давление насыщенных паров. В слегка упрощенной форме, удобной для применения оно выглядит так:
где P — давление паров, L — теплота испарения, RT — смотри выше, C — константа интегрирования. Мы можем ее найти из условия про температуру кипения и давление насыщенных паров, равное атмосферному. Итого при Т=322 К и L=88.1 кДж/кг = 27.8 кДж/моль P должно составить 101.3 кПа, т.е. lnP=11.53.
Получаем C = 21.93
Рассчитаем давление паров при комнатной температуре, например 18С.
P=33.5 кПа. Это 30% по объему! Дышать таким явно нельзя, хорошо хоть ничего не загорится. Такая концентрация фреона сильно больше необходимой для тушения пламени.
Замечания про герметичный корпус. В этом случае давление насыщенных паров будет суммироваться с тем, которое внутри корпуса помимо фреона. То есть при герметизации корпуса с воздухом внутри при 25 градусах внутри будет 1.3 атм, при 49 градусах — 2.0 атм, и так далее. Это накладывает некие требования на прочность стенок и герметизацию. Как учесть неравномерный нагрев? Например, процессор греется до 70С, а материнка холодная. В этом случае будет локальное вскипание жидкости и очень быстрое выравнивание температуры за счет переноса тепла паром фреона. Так что приблизительно надо брать среднюю температуру по больнице, т.е. объему корпуса.
Предположим крайний случай любви к искусству. Комп с фреоном, комната герметичная, пользователь в ОЗК и изолирующем противогазе. Комнату возьмем 5х4х3 метров, общий объем 60 кубов, температура 18С. Сколько фреона улетит в атмосферу? Давление из предыдущего расчета подставляем в уравнение состояния газа, получаем n=830 моль. Это 262 кг или 152 литра. Вот такая бочка:
Это просто фреон, который будет спокойно висеть в воздухе не очень большой комнаты.
Токсикология для начинающих
Токсичность можно оценить количественно. Для этого обычно используются два набора параметров: ПДК и ЛД50. ЛД50 — способность вещества вызвать острое отравление. Это разовая доза, после которой дохнет 50% подопытных зверушек. При этом исследователь ставит звездочку и мелким шрифтом указывает, с какими именно зверушками был эксперимент и как вводили вещество — с едой, водой, воздухом, на кожу, по вене, внутрибрюшинно итд. Измеряется обычно в мг/кг пока еще живого веса.
ПДК — это предельно допустимая концентрация нашего вещества. Для нее оговаривается где оно находится и в каких условиях оно действует. Например, может быть ПДК в воздухе рабочей зоны, а может быть ПДК в пище. ПДК показывает токсичность вещества при длительном воздействии и косвенно — склонность к накоплению в организме. Единицы измерения на постсоветском пространстве обычно мг/кг для пищи и мг/м3 для воздуха. В англоязычной литературе любят ppm — part per million, обычно по массе. Несложный пересчет показывает, что 1 ppm = 1 мг/кг. Для успокоения общественности используются различные варианты заведомо безопасных концентраций — например берем ПДК и делим на 100. Потребителю от этого спокойней. Понятно, что чем ЛД50 и ПДК меньше, тем вещество токсичней. Между величинами ЛД50 и ПДК связи в общем случае нет.
Для нашего фреона ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 150 ppm (пункт 8.3 MSDS). Для сравнения с предыдущим расчетом пересчитаем на давление пара: 150/1e6*101.3 кПа = 15.2 Па. Или в 2000 раз меньше.
Других данных о токсичности не приводится. Судя по всему, исходный фреон можно считать малотоксичным при использовании по назначению, даже при небольших утечках, но есть один нюанс. Повышенная экологичность этого фреона достигается посредством его неустойчивости к ультрафиолету. Под УФ-излучением с длиной волны около 300 нм получается фтороводород и трифторуксусная кислота — штуки относительно безвредные для озонового слоя, но очень неприятные при непосредственном воздействии на человека.
Зачем выше я рассказывал про распределение? С значением константы распределения часто связана токсичность. Мембраны клеток живых организмов представляют собой тонкие слои жира. Для проникновения сквозь нее вещество должно быть жирорастворимым, то есть иметь большую константу распределения вода-масло. Производитель эти данные не дает, но есть способы приблизительно оценить их исходя из строения молекулы. И для фреона он должен быть весьма большим.
Еще момент. Экологичность производства. Здесь я не специалист, так что запросил помощи у органиков. Вполне возможно, что для получения 1 тонны фреона надо затратить 100500 тонн чего-нибудь крайне токсичного. Сразу после получения ответа расскажу про эту сторону вопроса.
Что еще можно сделать с фреоном
Тут всякий оффтоп в картинках
Скрытый текст
Аквариум (или фреонриум?) с роборыбами
Скрытый текст
Систему жидкостного дыхания
Скрытый текст
Уберхолодильник
