На первый взгляд может показаться, что смесь воды и этиленгликоля должна замерзать при температуре, находящейся между точками замерзания её компонентов. Ведь чистая вода превращается в лёд при 0 °C, а чистый этиленгликоль кристаллизуется примерно при –13 °C. Однако на практике всё происходит совершенно иначе.
Согласно законам Рауля, температура кристаллизации раствора должна быть ниже температуры замерзания чистого растворителя. Если добавить небольшое количество воды в этиленгликоль, его температура замерзания действительно опустится немного ниже –13 °C. Но наиболее необычный результат достигается при другом соотношении компонентов.
Если вода и этиленгликоль смешаны примерно в пропорции 1:2, раствор способен сохранять жидкое состояние вплоть до –67 °C. Такое значение значительно ниже температуры замерзания каждого из веществ по отдельности.
Почему смесь оказывается устойчивее к морозу
Причина столь необычного поведения заключается в строении раствора на молекулярном уровне.
Молекулы этиленгликоля располагаются между молекулами воды и препятствуют формированию правильной кристаллической решётки льда. Одновременно молекулы воды точно так же нарушают процесс упорядоченного расположения молекул самого этиленгликоля.
В результате:
- ни вода, ни этиленгликоль не могут кристаллизоваться так же легко, как в чистом виде;
- степень молекулярного беспорядка значительно возрастает;
- температура замерзания смеси становится ниже температуры кристаллизации каждого из компонентов.
Максимальный эффект достигается именно при соотношении воды и этиленгликоля 1:2, когда уровень молекулярного беспорядка оказывается наибольшим.
Что представляет собой эвтектическая смесь
Раствор с указанным соотношением компонентов называют эвтектикой.
При температуре –67 °C такая смесь переходит из жидкого состояния в твёрдое сразу целиком, без разделения на отдельные фазы.
Если же концентрация этиленгликоля отличается от эвтектической, процесс замерзания протекает совершенно иначе.
Например, в растворе с содержанием этиленгликоля около 50% уже при –35 °C начинают образовываться кристаллы чистого льда. По мере их появления концентрация этиленгликоля в оставшейся жидкости увеличивается, а температура её последующего замерзания становится ещё ниже.
Вместо быстрого превращения в твёрдое тело раствор постепенно становится густой смесью жидкости и ледяных кристаллов.
Почему антифриз не разрушает двигатель
Образующаяся масса существенно отличается от обычного льда.
Она обладает несколькими важными особенностями:
- не увеличивается в объёме при замерзании;
- не создаёт разрушительного давления на блок двигателя;
- постепенно теряет текучесть по мере дальнейшего охлаждения.
Однако при сильном морозе такая смесь может настолько загустеть, что насос системы охлаждения уже не сможет прокачивать её через рубашку охлаждения двигателя, патрубки и радиатор.
Температуру, при которой раствор перестаёт нормально циркулировать, называют температурой потери текучести.
Вязкость тоже имеет большое значение
При выборе состава антифриза важно учитывать не только температуру его кристаллизации, но и изменение вязкости.
Так, при –13 °C вязкость чистого этиленгликоля примерно в 21 раз превышает вязкость воды при 0 °C.
Даже эвтектическая смесь остаётся значительно более густой — её вязкость почти в 9 раз выше, чем у воды.
Поэтому в реальной эксплуатации используют другой компромиссный вариант.
Для большинства регионов России, где зимняя температура лишь изредка опускается ниже –40 °C, обычно применяют 50-процентный раствор этиленгликоля.
Такое решение сочетает сразу несколько преимуществ:
- температура начала кристаллизации составляет около –35 °C;
- раствор сохраняет приемлемую текучесть;
- при –35 °C его вязкость лишь примерно в 5 раз превышает вязкость воды при 0 °C;
- стоимость такого антифриза ниже, чем у более концентрированных составов.
Именно поэтому в автомобильных системах охлаждения наиболее распространены смеси с содержанием этиленгликоля около 50%. Они обеспечивают достаточную защиту от замерзания для большинства климатических условий и при этом сохраняют характеристики, необходимые для нормальной работы системы охлаждения двигателя.