Frozen ChicagoPhoto: AP
Sie haben vielleicht bemerkt, dass es ziemlich kalt in weiten teilen der Vereinigten Staaten—Erfrierungen-induzierende, Schule-schließen, brühen-sich-mit-kochendem-Wasser-beim-Versuch-das-dumm-instant-Schnee-trick kalt. Sie Fragen sich vielleicht, was es bedeutet, wissenschaftlich.
Ich spreche nicht davon, Biologie—ich spreche Chemie (okay, und ein wenig Biochemie). Temperaturen wie die -36 Grad Celsius konfrontiert, die meine Freunde in Fargo, North Dakota in dieser Woche nähern sich einem Niveau von eisigen ändern können, die Natur der Materie um uns herum.
“Chemie passiert ganz anders [in der Kälte],” Henry Rzepa, computational Chemiker am Imperial College London, sagte Gizmodo.
Zuerst die Grundlagen: Temperatur ist die mittlere kinetische Energie der Moleküle einer bestimmten Substanz, oder im Grunde, wie viel die Atome drängen sich um. Chemie ist die Studie von, wie diese Atome miteinander interagieren, bilden und brechen Anleihen oder reagieren zum erstellen von neuen Substanzen unter dem Einfluss von Energie, Temperatur und Druck.
Der offensichtlichste Einfluss niedriger Temperaturen auf Moleküle ist, dass Sie verursachen können, Stoffe gehen durch die phase der übergänge, Bedeutung der änderung Ihrer charakteristischen Beschaffenheit von gas zu Flüssigkeit oder Flüssigkeit / Feststoff.
In der unteren Temperatur-regime als “außerhalb meines Partners Eltern’ Haus in der Nähe von Grand Forks, North Dakota,” Luft-Moleküle beginnen, sich langsamer bewegen, übt weniger Druck auf die Oberflächen und verursacht Auto-Reifen-Druck zu verringern. Wasser gefriert und die Luft kann nicht so viel Wasserdampf. Das ist wie das kochende Wasser trick funktioniert—Wasser-Tröpfchen verdampfen, von der Hitze, aber die Luft ist zu kalt, zu halten, mehr Wasserdampf, so dass die Tröpfchen schnell einfrieren.
Chlor-gas wird von der Flüssigkeit bei -30 Grad Fahrenheit (-34 Grad Celsius). Propan-gas ist eine Flüssigkeit, die bei -44 Grad Fahrenheit (-42 ° C), und das Benzin, das eigentlich eine Mischung von verschiedenen Kohlenstoff basierenden Moleküle, gefrieren auf etwa -40 Grad Fahrenheit und Celsius. Die US-Streitkräfte erforderlich, bestimmte flüssige Treibmittel zur Funktion von bis zu -65 Grad Fahrenheit für bestimmte Geschosse, Jon Austad von der Hylleras Center for Quantum Molecular Sciences und Kathrin Hopmann von der Arctic University of Norway, erklärt Gizmodo per E-Mail: “Als Folge bestimmter Oberfläche-zu-Luft-Raketen, JATOs etc., funktioniert möglicherweise nicht bei niedrigen Temperaturen.”
Dann gibt es eine noch seltsamer Phänomen, genannt tin pest-Phänomen; unter 56 Grad Fahrenheit (13 Grad Celsius), zinn verwandelt sich aus einem Metall in einen spröden, nicht-metallischer form. Es ist ein langsamer Prozess bei höheren Temperaturen tritt aber viel schneller um -22 Grad Fahrenheit (-30 Grad Celsius). “Das hat gewesen zugeschrieben als einer der Gründe, [Robert Falcon Scott] expedition in die Antarktis gescheitert”, sagte Hopmann und Austad. Die zinn-Behälter mit Kerosin gefüllt, dass Scott hatte das team verstaut stellte sich heraus, leer zu sein—möglicherweise, weil zinn Schädling erstellt, die Lecks in den Dosen.
Doch es ist mehr Chemie als Zustände der Materie. Höhere Temperaturen in der Regel führen zu mehr höheren Energie-Kollisionen zwischen schneller bewegende Moleküle, und damit würde führen zu schneller chemischer Reaktionen. So niedrigere Temperaturen würde somit verlangsamen von chemischen Reaktionen.
Chemische Reaktionen setzen Sie auf täglich beginnen putter aus bei diesen Temperaturen. Die meisten spürbar, Ihr Telefon stirbt. Die niedrigen Temperaturen machen die lithium-Ionen bewegen sich langsam zwischen den Elektroden von lithium-Ionen-Batterien, Xiao Ji, Postdoc-research associate an der University of Maryland, erklärt Gizmodo. Aber mehr sorgen machen, ist der Elektrolyt, dass die Moleküle durch Reisen, die verfestigt sich bei diesen niedrigen Temperaturen. Ji arbeitet mit seinem team auf bessere Elektrolyte, um dieses problem zu bekämpfen.
Aber auch -36 Grad Celsius gar nicht so kalt aus Chemie-Sicht, erklärte Rzepa. In vielen Labors in der Imperial College, Fachbereich Chemie, sind die Forscher mehr daran interessiert, in der -109.2 Fahrenheit, (-78.5 ° C) kalt, die Temperatur, bei der Kohlendioxid gefriert. Das ist eher eine Komfort-Sache, da bei dieser Temperatur die Reaktion zu schnell, um zu studieren bei Raumtemperatur steuerbar im Labor.
Gibt es andere Experimente, die, bei -36 Grad Fahrenheit kalt, man konnte nur mit den lab Fenster offen, um Energiekosten zu sparen? In der Tat, es gibt einen Heiligen Gral der Physik ist die Raum-Temperatur-Supraleiter. Einige Materialien, die bei niedrigen Temperaturen unterzogen, die eine andere Art von Phasenübergang, so dass Elektronen ohne jeden elektrischen Widerstand. Wenn die Raum-Temperatur-Supraleiter realisiert wurden, konnten Sie drastisch reduzieren Sie Ihre Energiekosten oder helfen Sie anderen Technologien, wie Quanten-Computer, werden Sie mehr machbar. Ein Aktuelles Ergebnis zeigt, dass ein material namens Lanthan-Hydrid könnte ein Supraleiter bei rund -10 Grad Fahrenheit (-23 Grad Celsius). Aber es gibt einen Haken: die phase des übergangs tritt nur bei extremen Belastungen, etwa die Hälfte den Druck erlebt, in der Mitte der Erde.
Letztlich, die wichtigsten chemischen Reaktionen, die für unser Leben, diejenigen, die in unserem eigenen Körper sind, sind diejenigen, die wir sollten besorgt über. In der Tat, ein Forscher schrieb ein Papier über die Temperatur-Grenzwerte der Erde Leben. Chemische Reaktionen innerhalb der Zellen-Funktion bei optimalen Temperaturen, und niedrigere Temperaturen können zu einer Störung. Wir Essen, um zu Kraft dieser Reaktionen, und halten unseren Körper warm, aber ohne Mantel, würden wir schnell erliegen, die Auswirkungen der kalten.
In der Regel haben Organismen eine Temperatur, bei der Sie überleben können, und ein anderes, an dem Sie tatsächlich Durchlaufen Prozesse wie die Fortpflanzung und die Verdauung. Wirbeltiere sind relativ feige und haben sich Dinge wie Fell und Federn (und die Fähigkeit zu konstruieren beheizten Gebäuden und Nähen Kleidung), um Ihre Zellen in Betrieb bei optimalen warmen Temperaturen. Marine Leben beherrscht nur die kälteste Temperatur, bei der Wasser existiert als ein flüssiges, 32 Fahrenheit für Süßwasser-und 28 C für Meerwasser. Ältere Daten weisen darauf hin, dass Blühende Pflanzen überleben nach unten -94 Fahrenheit (-70 ° C), aber kann nur gedeihen auf rund 32 Grad Fahrenheit (0 Grad Celsius). Bei Temperaturen unter -4 Grad Fahrenheit (-20 Grad Celsius), können Bakterien noch vermehren, wenn auch langsam, laut einer Studie, vielleicht gedeiht auf salzhaltigem Schmelzwasser-Pfützen. Bakterien und Archaeen, und selbst die mikroskopisch kleinen Tiere namens Bärtierchen, überleben kann reanimation nach einfrieren bei Temperaturen unter -320 Grad Fahrenheit (-196 Grad Celsius), obwohl die Bärtierchen benötigen immer noch mindestens 32 Grad Fahrenheit Temperaturen, um zu gedeihen.
Das ist nur Erde, Chemiker Kamila Muchowska an der Universität von Straßburg in Frankreich erklärt Gizmodo. Es ist interessant zu denken über diese Extreme körperliche Chemie, um besser zu verstehen, ob Leben existieren könnte, der an anderer Stelle stellen, wo das Wasser bleibt eine Flüssigkeit bei kälteren Temperaturen Dank der Anwesenheit von Salzen.
Trotzdem, -40 ist kalt sehr kalt für uns Menschen, sondern auch aus Chemie-Sicht bewertet, lediglich als rege.
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