Under the hood: The chemistry of cars - Cynthia Chubbuck

Summary

El guion del video explica cómo los automóviles, con más de mil millones en el mundo, son una lección de química. La combustión en el motor genera calor que debe ser absorbido y disipado para proteger los componentes. Aunque el agua tiene una alta capacidad de calefacción, su punto de congelación y ebullición no es adecuado para motores. En su lugar, se usa una mezcla de etilenglicol y agua, que mejora el punto de congelación y eleva el de ebullición, ofreciendo protección óptima al motor.

Takeaways

• 🚗 Hay más de mil millones de automóviles en el mundo que no solo son un medio de transporte, sino también una lección de química.
• 🔥 El proceso de arranque del automóvil comienza en los cilindros del motor, donde la combustión es una reacción exotérmica que libera calor.
• 🌡️ La necesidad de enfriamiento del motor se debe a que el calor no utilizado puede dañar los componentes metálicos del motor.
• 💧 Aunque el agua tiene una alta capacidad de calefacción específica, su punto de congelación y ebullición no es adecuado para los motores de automóviles.
• 🧪 En lugar de agua, se utiliza una solución hecha de etilenglicol y agua, que tiene puntos de congelación y ebullición más adecuados para los motores.
• ❄️ La propiedad de la depresión del punto de congelación de una solución permite que la mezcla de etilenglicol y agua congele a temperaturas mucho más bajas que el agua pura.
• 🌡️ La elevación del punto de ebullición en soluciones es útil para evitar que el líquido se evapore en condiciones de alta temperatura.
• 🔝 A mayor proporción de soluto, como el etilenglicol, en la solución, menor es el punto de congelación y mayor es el punto de ebullición.
• 🚫 No es bueno tener una proporción excesiva de etilenglicol, ya que esto puede hacer que el punto de congelación comience a subir nuevamente.
• 🔁 El enfriamiento del motor se logra mediante la circulación de la solución a través del motor, el intercambio de calor en el radiador y su posterior retorno al compartimiento caliente del motor.

Q & A

¿Cuántos automóviles hay en el mundo hoy en día?

Hay más de mil millones de automóviles en el mundo.

¿Qué ocurre en los cilindros del motor al inicio del automóvil?

En los cilindros del motor, se mezcla gasolina de los inyectores de combustible con aire del válvula de admisión y luego se encendieron mediante una chispa, formando gases que expanden y empujan el pistón.

¿Qué significa que la combustión sea una reacción exotérmica?

Una reacción exotérmica es aquella que libera calor, como sucede en la combustión de gasolina en el motor del automóvil.

¿Por qué el sistema de enfriamiento es importante en un motor de automóvil?

El sistema de enfriamiento es importante para absorber, transportar y disipar el calor que se genera durante la combustión, evitando que las piezas del motor se deformen o derritan.

¿Por qué no se utiliza el agua como líquido de enfriamiento en los motores de automóvil?

El agua no se utiliza debido a su punto de congelación en 0 grados Celsius y su punto de ebullición en 100 grados Celsius, lo que podría causar daños en el motor y el radiador en condiciones extremas de temperatura.

¿Qué es una solución y cómo se relaciona con el líquido de enfriamiento del motor?

Una solución es una mezcla homogénea de un soluto y un solvente, y las propiedades coligativas de la solución, como la disminución del punto de congelación y el aumento del punto de ebullición, hacen que sea adecuada para el enfriamiento del motor.

¿Cómo cambian las propiedades de una solución con la cantidad de soluto presente?

Las propiedades coligativas de una solución, como el punto de congelación y el punto de ebullición, cambian dependiendo de la proporción de soluto presente; cuanto más soluto, mayor es la diferencia.

¿Qué es la presión de vapor y cómo afecta el punto de ebullición de una solución?

La presión de vapor es la presión que ejercen los vapores de un líquido sobre la superficie del mismo. Una solución tiene una presión de vapor menor que el solvente puro, por lo que debe calentarse más para alcanzar la presión atmosférica y hervir.

¿Cuál es la mezcla comúnmente utilizada en el sistema de enfriamiento de un automóvil?

Se utiliza comúnmente una mezcla del 50/50 de glicol etílico y agua, que congelará a -37 grados Celsius y hervirá a 106 grados Celsius.

¿Qué sucede si se aumenta la proporción de glicol etílico en la solución de enfriamiento?

Si se aumenta la proporción de glicol etílico, el punto de congelación disminuye aún más y el punto de ebullición aumenta, pero en proporciones muy altas, el punto de congelación puede aumentar nuevamente.

¿Por qué es importante que el líquido de enfriamiento tenga una alta capacidad específica de calor, un bajo punto de congelación y un alto punto de ebullición?

Un líquido de enfriamiento con estas características absorbe más calor, evita congelarse en temperaturas bajas y no hervir fácilmente, lo que protege el motor del automóvil.

Outlines

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🚗 La Importancia de los Automóviles y la Química en su Funcionamiento

Hay más de mil millones de automóviles en el mundo que no solo sirven como medio de transporte, sino también como lecciones de química en acción. El proceso comienza en los cilindros del motor, donde una mezcla de gasolina y aire se enciende para mover los pistones mediante una reacción exotérmica, liberando mucho calor. Este calor debe ser gestionado para evitar daños en las partes metálicas del motor, lo que introduce la necesidad de un sistema de enfriamiento eficiente.

💧 Agua como Opción de Enfriamiento: Ventajas y Desventajas

El agua, con su alta capacidad calorífica, parece ser una opción lógica para absorber el calor en el sistema de enfriamiento. Sin embargo, su punto de congelación de 0 grados Celsius puede causar graves problemas en climas fríos, y su punto de ebullición relativamente bajo de 100 grados Celsius también presenta riesgos en motores muy calientes. Estos problemas requieren una solución más robusta que solo el agua.

🧪 Propiedades Coligativas: Cómo las Soluciones Mejoran el Enfriamiento

En lugar de agua pura, se usa una solución que tiene propiedades coligativas como la depresión del punto de congelación y la elevación del punto de ebullición, lo que mejora significativamente su capacidad para funcionar en el sistema de enfriamiento del motor. Estas propiedades cambian debido a la presencia de solutos, que interfieren en la formación de estructuras cristalinas y requieren más energía para alcanzar la ebullición.

🔥 Por Qué las Soluciones son Más Eficientes para la Refrigeración

El punto de ebullición de una solución es más alto que el de un solvente puro, lo que es crucial en un motor de automóvil donde las temperaturas pueden ser extremas. Un radiador presurizado también ayuda a elevar aún más el punto de ebullición, lo que permite que la solución funcione de manera efectiva bajo presión.

🚙 La Solución Perfecta: Etilenglicol y Agua

El refrigerante comúnmente usado es una mezcla de 50/50 de etilenglicol y agua, que proporciona un equilibrio ideal con un punto de congelación de -37 grados Celsius y un punto de ebullición de 106 grados Celsius. A mayores proporciones de etilenglicol, la protección aumenta, pero en exceso puede revertir los beneficios al acercarse a las propiedades del etilenglicol puro, que tiene un punto de congelación más alto.

🔄 Funcionamiento del Sistema de Enfriamiento en el Motor

El refrigerante circula a través del motor, absorbiendo calor antes de llegar al radiador, donde es enfriado por un ventilador y el aire que pasa a través del frente del coche. Este ciclo asegura que el motor se mantenga a una temperatura segura, evitando daños y asegurando un rendimiento óptimo.

🔬 Creando la Solución Ideal para la Refrigeración del Motor

Un refrigerante efectivo debe tener una alta capacidad calorífica, un punto de congelación bajo y un punto de ebullición alto. En lugar de buscar un líquido perfecto, podemos crear una solución que cumpla con estos requisitos, utilizando una mezcla de etilenglicol y agua para mantener el motor protegido en todas las condiciones.

Keywords

💡Combustión

La combustión es una reacción química exotérmica que ocurre cuando el combustible, en este caso, la gasolina, se mezcla con el oxígeno y es encendida por una chispa dentro del cilindro del motor. Este proceso libera una gran cantidad de calor y gases, que son utilizados para mover los pistones del motor. La combustión es crucial para el funcionamiento del motor y es un ejemplo de cómo la química se aplica en la vida cotidiana.

💡Cilindros del motor

Los cilindros del motor son las cámaras donde ocurre la combustión de la mezcla de aire y combustible. La expansión de los gases resultantes de la combustión empuja los pistones dentro de estos cilindros, lo que genera el movimiento necesario para propulsar el vehículo. Son fundamentales para el proceso de generación de energía en el motor.

💡Sistema de enfriamiento

El sistema de enfriamiento es el mecanismo que regula la temperatura del motor, evitando que las altas temperaturas resultantes de la combustión dañen los componentes metálicos del motor. Utiliza una solución líquida para absorber el calor y luego lo disipa a través del radiador. Es esencial para mantener el motor en condiciones óptimas de funcionamiento y prevenir daños.

💡Punto de ebullición

El punto de ebullición es la temperatura a la cual un líquido se convierte en vapor, formando burbujas dentro del líquido. En el contexto del video, se explica cómo la solución utilizada en el sistema de enfriamiento tiene un punto de ebullición elevado gracias a la presión en el radiador y la presencia de etilenglicol, lo que permite que el motor funcione a altas temperaturas sin sobrecalentarse.

💡Punto de congelación

El punto de congelación es la temperatura a la cual un líquido se solidifica. En el sistema de enfriamiento de un motor, es crucial que el líquido utilizado tenga un punto de congelación bajo para evitar que se congele en climas fríos, lo que podría causar daños graves al motor. La solución de etilenglicol y agua disminuye el punto de congelación, protegiendo el motor en condiciones de frío extremo.

💡Etilenglicol

El etilenglicol es un compuesto químico utilizado como aditivo en la solución de enfriamiento del motor. Su función principal es reducir el punto de congelación y aumentar el punto de ebullición de la solución, lo que proporciona protección contra temperaturas extremas. Aunque el etilenglicol tiene un punto de congelación relativamente alto por sí solo, en combinación con agua, crea una solución eficaz para mantener el motor seguro.

💡Propiedades coligativas

Las propiedades coligativas son características de las soluciones que dependen de la cantidad de soluto presente y no de su naturaleza específica. En el video, se menciona cómo la adición de etilenglicol a la solución de enfriamiento del motor afecta el punto de ebullición y el punto de congelación, elevando el primero y disminuyendo el segundo, lo que es esencial para el funcionamiento seguro del motor.

💡Presión atmosférica

La presión atmosférica es la fuerza que el aire ejerce sobre la superficie de los líquidos. En el proceso de ebullición, la presión de vapor del líquido debe igualar la presión atmosférica para que se formen burbujas y el líquido hierva. En el contexto del sistema de enfriamiento, la presión dentro del radiador se mantiene por encima de la presión atmosférica, lo que eleva el punto de ebullición de la solución de enfriamiento.

💡Radiador

El radiador es un componente del sistema de enfriamiento del motor encargado de disipar el calor absorbido por la solución de enfriamiento. El líquido caliente circula a través del radiador, donde es enfriado por el aire que fluye a través del frente del vehículo y por un ventilador. Este proceso es fundamental para mantener el motor a una temperatura segura y evitar el sobrecalentamiento.

💡Reacción exotérmica

Una reacción exotérmica es aquella que libera energía en forma de calor. La combustión en el motor es un ejemplo de este tipo de reacción, ya que la quema de gasolina libera una gran cantidad de calor, que es parcialmente utilizado para mover los pistones y el resto debe ser gestionado por el sistema de enfriamiento. Este concepto es clave para entender la necesidad de un sistema de enfriamiento eficiente en los motores.

Highlights

Hay más de mil millones de automóviles en el mundo, que no solo son un medio de transporte, sino también una lección de química.

El proceso de arranque del automóvil comienza en los cilindros del motor, donde la mezcla de gasolina y aire se ignita formando gases que expanden y empujan los pistones.

La combustión es una reacción exotérmica que libera mucha calor, parte del cual escapa por la salida de escape y el resto debe ser absorbido por el sistema de enfriamiento.

El agua parece una opción obvia para enfriar, pero su punto de congelación y punto de ebullición son inconvenientes en motores de automóviles.

En lugar de agua, se utiliza una solución, una mezcla homogénea de soluto y solvente, que tiene propiedades coligativas como la disminución del punto de congelación y la elevación del punto de ebullición.

La presencia de soluto en una solución impide la formación de cristales al enfriarse, lo que baja el punto de congelación.

La presión de vapor en una solución es menor que en un solvente puro, lo que requiere más calor para alcanzar el punto de ebullición.

El enfriamiento en el radiador se logra mediante una presión superior a la atmosférica, lo que eleva el punto de ebullición en 25 grados Celsius adicionales.

La mezcla comúnmente utilizada en el sistema de enfriamiento de un automóvil es una combinación 50/50 de glicol etílico y agua, que congela a -37 grados Celsius y hierve a 106 grados Celsius.

A una proporción recomendada más alta de 70% de glicol etílico y 30% de agua, el punto de congelación baja aún más a -55 grados Celsius y el punto de ebullición sube a 113 grados Celsius.

A pesar de que agregar más glicol etílico aumenta la protección, hay un punto en el que el punto de congelación comienza a aumentar nuevamente.

Las propiedades de la solución tienden hacia las del glicol etílico a proporciones más altas, lo que conlleva un punto de congelación más alto que el de la solución.

La solución fluye a través del motor, absorbiendo calor y luego se enfríe en el radiador antes de volver al compartimento caliente del motor.

Un enfriante de motor efectivo y seguro debe tener una alta capacidad específica de calor, un bajo punto de congelación y un alto punto de ebullición.

En lugar de buscar un líquido perfecto por todo el mundo, podemos crear nuestra propia solución para el enfriamiento de motores.

Transcripts

There are over one billion cars in the world today,

getting people where they need to go,

but cars aren't just a mode of transportation,

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

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

where a spritz of gasoline from the fuel injector

and a gulp of air from the intake valve

mix together before being ignited by a spark,

forming gases that expand and push the piston.

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

Lots of it.

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

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

to protect the metal components from deforming or even melting.

This is where the cooling system comes in.

A liquid gets circulated throughout the engine,

but what kind of liquid can absorb all that heat?

Water may seem like an obvious first choice.

After all, its specific heat,

the amount of energy required to raise the temperature

of a given amount by one degree Celsius,

is higher than that of any other common substance.

And we have a lot of heat energy to absorb.

But using water can get us into deep trouble.

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

Since water expands as it freezes,

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

a chilling prospect.

And considering how hot car engines can get,

the relatively low boiling point of 100 degrees Celsius

can lead to a situation that would get anyone steamed.

So, instead of water, we use a solution,

a homogeneous mixture consisting of a solute and a solvent.

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

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

they include freezing point depression and boiling point elevation.

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

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

So, why do these properties change?

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

of the particle's average kinetic energy.

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

and the slower the molecules move.

When a liquid freezes, the molecules slow down,

enough for their attractive forces to act on each other,

arranging themselves into a crystal structure.

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

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

As for the boiling point, when a liquid boils,

it produces bubbles filled with its vapor,

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

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

As the liquid is heated, the vapor pressure increases,

and when it becomes equal to the atmospheric pressure,

the bubbles form and boiling occurs.

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

so it must be heated to an even higher temperature

before it can match the strength of the atmosphere.

As an added bonus, the pressure in the radiator

is kept above atmospheric pressure,

raising the boiling point by another 25 degrees Celsius.

The solution commonly used for a car's cooling system

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

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

At the highest recommended proportion of 70 to 30,

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

and the boiling point rises to 113 degrees Celsius.

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

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

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

because at higher proportions,

the freezing point actually starts to go back up.

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

which freezes at -12.9 degrees Celsius,

a higher temperature than we attained with the solution.

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

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

as well as air rushing through the front of the car

before returning to the hot engine compartment.

So, an effective and safe engine coolant

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

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

we can create our own solution.