A benzin párolgása és a folyadékok fizikai halmazállapot-változásai
A halmazállapot-változások kulcsfontosságú fizikai jelenségek, amelyek alapvetően befolyásolják mindennapi életünket és ipari folyamatainkat, beleértve az üzemanyagok viselkedését is. A folyékony anyagokból légneművé válás két fő módja a párolgás és a forrás, melyek mélyebb megértése elengedhetetlen a benzin tulajdonságainak és környezeti hatásainak vizsgálatakor.
A párolgás és a forrás jelensége
A párolgás és a forrás olyan halmazállapot-változás, amely során a folyékony anyagból légnemű lesz. A folyadék részecskéi különböző sebességgel mozognak az anyagban. A folyadékmolekulák a hőmérséklettől függően kisebb-nagyobb sebességgel egymás mellett gördülő mozgást végeznek. Lesznek olyan molekulák, melyek ütközéseik során az átlagosnál nagyobb sebességre tesznek szert. Az ilyen molekulák a folyadék felszínére kerülve legyőzhetik a szomszédos részecskék vonzását, és a folyadékból kiléphetnek. Ezt a jelenséget párolgásnak nevezzük.
Párolgáskor csak a folyadék felszínén lévő részecskék távoznak. Párolgás csak a folyadék szabad (gázzal, ill. levegővel érintkező) felületén történik. Párolgás során az anyag folyadékállapotból légnemű (gőz-) állapotba kerül. A folyékony anyagok felszínén levő részecskék hő hatására bekövetkező halmazállapot-változása légnemű állapotba.
A párolgás hőelnyelő, azaz endoterm folyamat. Ez természetes, hiszen a párolgás során a folyadékmolekulák elszakadnak egymástól, tehát munkát kell végezniük - a kohéziós erő ellenében, a külső nyomás ellenében, hiszen a gőzzé alakulás nagyfokú térfogat növekedéssel jár. Az adott folyadék részecskéinek hőmozgása során a részecskék energiát adnak le, illetve vesznek fel az ütközéseikből adódóan. Ha a felszínen lévő részecskék elegendő energiát gyűjtenek össze, hogy leküzdjék a gőznyomást, akkor a folyadékból kilépve a környező gáztérbe (legtöbbször levegőbe) kerülnek. A folyadék energiája a részecskék távozásához szükséges energiával egyenlő mértékben lecsökken, amely miatt a folyadék veszít a hőmérsékletéből is. A pároláshoz is energiát vesz fel a folyadék a környezetétől. A párolgás során, a környezettől felvett energia következtében, a folyadék részecskéi egyre élénkebben mozognak. Az elegendően nagy sebességű - energiájú - részecskék képesek kilépni a folyadékból.
Ennél sokkal intenzívebb és látványosabb a forrás. A forrás olyan halmazállapot-változás, melynek során nemcsak a folyadék felszínén, hanem annak belsejében is van gőzképződés. Ugyan párolgáskor és forráskor is a folyékony anyagból légnemű lesz, mégis van egy nagy különbség a két jelenség között. Párolgáskor csak a folyadék felszínén lévő részecskék távoznak, míg forráskor a folyadék belsejéből is.
A párolgás mindennapi példái és befolyásoló tényezői
A párolgást megfigyelhetjük otthon is. Amikor a kimosott ruhát kiteregetjük, egy idő után megszárad. Ez azt jelenti, hogy a rajta lévő víz elpárolgott, vagyis vízgőzzé vált. A kiteregetett ruha megszárad, a rajta lévő víz szobahőmérsékleten is gőzzé alakul. Miért szárad gyorsabban napsütéses időben a kiteregetett ruha? Ruhaszárítás közben a környező levegőtől kapja a víz az energiát. A szárítóhelyiség levegőjében gyakran jól érezhető a vízpára mennyiségének növekedése.
Ha egy pár csepp kölnit a kezedre cseppentesz, rövid időn belül érezni fogod az illatát, nemsokára pedig eltűnik a kezedről. Ez is párolgás. Fürdés után egy idő múlva bőrünk megszárad, de száradás közben kicsit fázunk, még jó melegben is. Az élettan a légzőszervek (tüdők) és a bőr útján történő kipárolgási folyamatát ismeri; a kilélegzett levegő szénsavat, ammóniát és kis mértékben más összetevőket is tartalmaz. A bőr útján főleg a verejtékmirigyek váladéka kerül izzadságként a bőr felszínére.
A folyadékok már forráspont alatti hőmérsékleten is légneművé válnak, gőzzé alakulhatnak, ezt a folyamatot párolgásnak nevezzük. A párolás mértéke függ a hőmérséklettől is. A tapasztalatok szerint a folyadékok minden hőmérsékleten párolognak, de magasabb hőmérsékleten általában gyorsabban. A folyadékok annál gyorsabban párolognak, minél magasabb a hőmérsékletük, nagyobb a párolgási felületük és minél kevesebb gőz van a felületük közelében.
A párolgást egyéb körülmények is befolyásolják. Például a párolgó felület nagysága, mert a nagyobb felületről több részecske képes kilépni. Különböző folyadékok egymástól eltérő sebességgel párolognak. Természetesen nem csak a víz, hanem minden folyadék párologhat. A víznél sokkal gyorsabban párolog például az alkohol. Mérjünk ki néhány csepp egyenlő mennyiségű (tömegű) és hőmérsékletű (pl. szobahőmérsékletű) vizet és alkoholt egy-egy kis üvegedénybe! Figyeljük az időt, amely a teljes eltűnésükhöz (elpárolgásukhoz) szükséges! Az alkohol sokkal gyorsabban párolog el az edénykéből, mint a víz. A gyors párolgás sok energiát igényel, ezért az alkohol sokkal jobban lehűl, mint a víz.
A forrás mechanizmusa
A konyhában a forrást figyelheted meg nagyon egyszerűen. Ahogyan létezik olvadáshő, van forráshő is. A forráshő a folyékony halmazállapotú anyag átmenete légnemű halmazállapotba. Ha vizet forralsz, láthatod, milyen sok kis buborék, vagyis gőz keletkezik a víz belsejében, amik nagy erővel törekednek felfelé. A vízgőzt is láthatod, ahogy felfelé száll az edényből.
lassított felvételű, hullámzó vízcseppek
Párolgási veszteségek a természetben
A párolgás nem csak a mindennapjaink része, hanem jelentős környezeti hatásokkal is jár. A szabad felszín párolgása hazánkban októbertől márciusig napi 0,3-2,5 mm között, áprilistól szeptemberig napi 3-5 mm között ingadozik. A talaj hőmérséklete viszont a felső néhány cm-es talajréteg párolgására van hatással. Hank vizsgálatai szerint korszerű agrotechnikával a talaj párolgása a tenyészidő alatt 30-40 mm-re is csökkenthető. A talaj párolgása és a növényzet párologtatása csak nehezen vizsgálható egymástól elkülönítve. Ezért egyes kutatók a talaj és a növényzet párolgását egységes értékként kezelik.
Párolgási veszteség a tárolt vízkészletekből elpárolgó vízmennyiség. Nagysága a párolgó szabad vízfelszín nagyságával arányos. A párolgási veszteségek hazánkban évenként kb. 50-60 cm vastag vízréteg elpárolgását jelentik.
A benzin párolgása és az oxigenátok szerepe
Logikusan azt gondolná az autós, hogy van az éghető anyag a benzinben, a szén, a hidrogén és ezek több tízezer szénhidrogén konfigurációi, valamint a levegőbe az oxigén, melyek egyesülése folyamán energia szabadul fel, expanziót eredményezve! Ilyen egyszerűnek tűnik. Ám, ez nem így van! Miért is?
A könnyebb érthetőségért azt kell mondanom, hogy az oxigén tartalmú benzin komponensek egy félig eloxidált, részben elégett anyag. Az etán gáznemű, képlete C2H6, az etanol egy oxigén atommal több, C2H6O és az oxigén pótlással már folyadék! Energetikai affinitása elvileg az 5 oxigén ezért egy oxigénnel veszítette a 20%-át az egyesülési energiának. Ezért a fűtőértéke sokkal gyengébb, mint csak szén, és a hidrogén párosítású benzin komponenseké! Mégis szükség van rájuk. Például a lángterjedési szortimentizáció miatt feltétlen. Minél több komponensből áll a benzin, annál egyenletesebb az égési folyamat, és a nyomaték leadás is lineáris. Tulajdonság növelő adalék a benzinbe. Ráadásul olcsó komponens. Alkalmazását elsősorban az oktánszám növelése teszi szükségessé. Nyilván van más erre alkalmas termék is, de ezek nem olcsók, és rendelkezésre áll bármilyen mennyiség. Nevezzük innentől ezeket az oxigén tartalmú anyagokat oxigenátoknak.
Sok fajtája létezik, de az elterjedt régebben az MTBE, később ETBE, ma az etanol hódít, a nagyobb részarányban. Sőt az EU-ban törvénybe iktatták a kötelező használatát, környezetvédelmi okokra hivatkozva. A mai napig nem ismerünk összehasonlító, megdönthetetlen bizonyítékot, hogy a levegő, és föld szempontjából melyik az előnyösebb.
Csalás áldozata lettél? Porsche Bank csalás elleni védelem.
Az etanol és környezeti hatásai
Több vita is folyik ezzel kapcsolatba, ám egyre biztosabbnak tűnik az etanol bukása. Mind a levegő minősége szempontjából fokozza a káros anyagokat. Két oldalról is. Kipufogó gáz összetételénél igaz, hogy a szénmonoxid tartalmat csökkenti, viszont mint vivő anyag, szinte minden más káros anyag megléte növekszik a kipufogó gázban. Erről mélyen hallgatnak. Például nő a túlzott oxigén bevitel miatt a nitrogén oxidok mennyisége, valamint az acetaldehid, a peroxi-acetil-nitrát, formaldehid, mint káros anyagok szintje. És ez még csak az emissziós gáz néhány eleme.
Hozzáadódik a párolgásból keletkező levegőszennyezés. Nem hinnénk, de ez is olyan fontos, mint a kipufogó gáz. A benzin kezelése közben keletkezik. Sőt vivő anyagként párolgás közben levegőbe kerülnek például a benzol, anilin, xilol, toluol, származékok is. Nem teljes természetesen a lista, de érzékelhető a veszély! Talán az éter származékoknál kevesebb káros anyagot mutattak ki, mint az alkoholnál. Ennek kiküszöbölésére a tank hő tágulása miatt benzingőz lecsapatással oldják meg, hogy ne párologjanak olyan nagymértékben a benzinek egyes komponensei. Ennek ellenére párolgás mindig van.
lassított felvételű, hullámzó vízcseppek
Nézzük a valóságot. Oxigenátokból ugyanannyi energia kinyerésére több kell. Összességében pedig a gyenge fűtőérték miatt szinte több széndioxid is keletkezik a túlfogyasztás miatt. Ez fizikai tény. Bizonyította ezt az E85-ös üzemanyag használata. Érdekes, hogy a benzinkutakról kimúlt, nem nagyon lehet vásárolni, mert több hátránya volt, mint előnye. További problémafokozó tulajdonsága hogy az alkatrészek, és tömítések speciális megléte esetén is öregíti, tönkre teszi azokat! Azért ki kell jelenteni, szükség van az oxigenátokra a benzinbe, csak a mennyiségi szintet kellene kevesebbre venni. Ha kötelező az etanol 7% az EU-ban akkor az összes többi alkohol származék, éterek, ketonok, és minden egyéb oxigenát szint együtt túlzás a benzinekbe.
Megoldások és jövőbeli kilátások
Természetesen, lehet ezekre a benzinre motort tervezni, de a sűrűn változó politikai környezetbe kötelező a motorokat szinte mindenevőre alkotni. Ezért a környezetvédelem elillan. Elpárolog, elég! Az oktánszám növelésére persze szükség van, mert egységnyi folyadékból ki kell sajtolni, minél nagyobb mozgási energiát. Összenyomhatóvá kell tenni minél fokozottabban a benzint, így keletkezik igazán nagy expanzió. A közeljövőben a túlzott etanolos őrület alább fog hagyni. Pontosan úgy, mint az E85-ös benzin pályafutása. Vagy szigorúan erre fogra gyártani speciális motorokat, melynek például a nitrogén oxid szintje már az égés folyamán megfelel, és nem kell mindenféle kiegészítő alkatrészekkel korlátozni a mozgási energiát, mint az EGR vagy a nitrogénoxid redukáló katalitikus dobok.
Azért reméljük, hogy benzinek szabványai abban az irányba változnak, hogy összegségbe a kibocsátott egységnyi széndioxidot veszik figyelembe. Eddig is mérték, de az autó megtett kilométerenkénti egységével fejezik ki. A jövő pedig az lenne, hogy egységnyi súlyú üzemanyagból keletkezett széndioxid mennyisége lenne nagyon fontos, a minél több mozgási energia kinyerése mellett. Ez abból ered, hogy az alternáló, vagy másképp dugattyús belső égésű motorok hatásfoka nagyon rossz. Benzinesé gyengébb kb. 33%, a dízelé 42% körül van. Van még mit javítani, hogy leginkább mozgási energia keletkezzen, ne hulladék hő. Ezért kell rövidesen átalakítani a benzineket, és természetesen a motorokat is.
Azért gondoljunk arra is, hogy túlzásba nem vihetjük a hatásfokot, mert a hulladék hő is hasznos, hisz az üzemi hőt el kell érni minél hamarabb, sőt fenn kell tartani. Jó példa erre a modern dízel motorok, melyek már majd 50% hatásfoknál nem jól fűtenek télen, a nagy hidegben. Már az is baj néha, hogy nincs hulladék hő! Ekkor viszont a mozgási energiát kell vissza alakítani hővé. Ez pedig mindenképp energiavesztés, mint minden energiakonvertálás. Összegezve van mit fejleszteni az üzemanyagon, valamint a szervesen hozzá tartozó motorokon. Addig is marad az okos benzin használat, melynél nem árt módosítani az összetételét némi utólagos adalékolással, mert az olajtársaságoknak nem érdekük, az autógyártók pedig nyilván átlagos benzinre gyártják a motorokat, így nem lehet kihozni belőlük az optimális gazdaságos üzemmódot, és a hosszantartó életciklust.