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/ NetNews Usenet Archive 1992 #30 / NN_1992_30.iso / spool / sci / physics / 20899 < prev    next >
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Text File  |  1992-12-11  |  6.7 KB  |  145 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!caen!zaphod.mps.ohio-state.edu!magnus.acs.ohio-state.edu!kpearce
  3. From: kpearce@magnus.acs.ohio-state.edu (BULLDAWG)
  4. Subject: Re: Metals in liquid Nitrogen !!
  5. Message-ID: <1992Dec11.200321.6333@magnus.acs.ohio-state.edu>
  6. Sender: news@magnus.acs.ohio-state.edu
  7. Nntp-Posting-Host: bottom.magnus.acs.ohio-state.edu
  8. Organization: The Ohio State University
  9. References: <10DEC199219275429@trentu.ca> <1992Dec11.171454.3158@magnus.acs.ohio-state.edu> <Bz3y9A.6Jn@helios.physics.utoronto.ca>
  10. Date: Fri, 11 Dec 1992 20:03:21 GMT
  11. Lines: 132
  12.  
  13. In article <Bz3y9A.6Jn@helios.physics.utoronto.ca> neufeld@helios.physics.utoronto.ca (Christopher Neufeld) writes:
  14. >In article <1992Dec11.171454.3158@magnus.acs.ohio-state.edu> kpearce@magnus.acs.ohio-state.edu (BULLDAWG) writes:
  15. >>In article <10DEC199219275429@trentu.ca> lchardon@trentu.ca (PETIT PAPA NOEL.) writes:
  16. >>>
  17. >>>    I'm sorry if this has been discussed here before, but I'm quite 
  18. >>>puzzled by the following:
  19. >>>
  20. >>>Sure enough, somebody pulled out a penny and dropped it in a 
  21. >>>full styrofoam cup. What happens is the following:
  22. >>>The nitrogen will boil for some time, like it boils when you drop anything 
  23. >>>in it, 
  24. >>>but then suddenly it will boil really hard, about 3 times more 
  25. >>>violently than it did before, for about half a second, and then it will 
  26. >>>just gently bubble away (When the metal is in thermal equilibrium with it, 
  27. >>>i guess...).
  28. >>
  29. >>But at this point, the metal makes a phase transition from one kind of
  30. >>metal crystal to another (bcc to alpha).
  31. >>
  32. >   I doubt that. It's very quick in the case of copper in liquid
  33. >nitrogen. You need to move atoms around the crystalline lattice on the
  34. >time scale of seconds, and at quite low temperatures. I'd expect the
  35. >deformation of the lattice to powder many metals.
  36. >   Also, the later bubbling is much stronger than even the room
  37. >temperature copper produces when first dropped into the liquid nitrogen.
  38. >It seems that this is consistent only with your theory if the phase
  39. >transition heats the copper up to substantially more than room
  40. >temperature. I'm trying to imagine a phase diagram where phase A is
  41. >stable at T1, and at T2 it goes to phase B, liberating enough energy to
  42. >heat it to T3 > T1. It seems unlikely.
  43.  
  44. Sorry, but it is true.  Phase transitions can (and are observed in labs
  45. down the hall from mine) and do occur in microseconds. The rearrangements that
  46. you refer to are on the order of _tenths_ of _angstroms_.
  47.  
  48. Go back to fundimental chemistry.  Phase changes are generally exothermic.
  49.  
  50.  
  51. >
  52. >>Whenever a substance under goes a phase trnsition it gives up heat.
  53. >>
  54. >   Demonstrably false. Ice doesn't give up heat when changing phase to
  55. >water.
  56.  
  57. You have missed the point.  Water going to ice gives up heat (delta H of
  58. freezing).  A phase change in copper will give up heat (going to a 
  59. thermodynamically more stable form at lower temperature).
  60.  
  61. To assert that the copper must _heat_ _up_ (become hotter) because of the
  62. phase change (and thus be impossible) is strictly ignorant of phase
  63. change processes that have been well characterized for over 100 years!
  64. When a phase change occurs, heat is liberated (or absorbed) in exactly
  65. the amount that is being removed (or added) to the sytem until the entire
  66. system completes the phase change.  This is the origin of the so-called
  67. phase transition temperature halt.  (note that an ice-water mixture is always
  68. pretty close to 0 C at equilibrium regardless of the proportion of water/ice).
  69.  
  70. Anyway, I can go on until I am blue in the face about thermodynamics.  Go pick
  71. up a book on it, _Physical_Chemistry_ by Arfkin is a good start.
  72.  
  73. >
  74. >>>
  75. >>>    WHY ???????????????
  76. >>
  77. >>
  78. >>>    WHY JUST METALS ???
  79. >>
  80. >>Well, just about anything will work, but metals have phase transitions at 
  81. >>lower temperatures so that most of the bubbling from cooling off is gone.
  82. >>
  83. >   I disagree.
  84. >
  85. >   Here's what I believe, and I put copper sample holders into liquid
  86. >nitrogen sometimes several times a day, always seeing this effect. As
  87. >another poster remarked, when the copper is first put into the liquid
  88. >nitrogen it forms a vapour barrier which prevents the liquid nitrogen
  89. >from coming into good mechanical contact with the copper. To do this it
  90. >need only balance the hydrostatic pressure of the liquid nitrogen, a
  91. >couple of percent of atmospheric pressure for common laboratory dewar
  92. >depths (unlike your counterexample of trying, I believe, to levitate an
  93. >iron block on a drop of nitrogen). The copper cools until the liquid
  94. >nitrogen can come touch it. At this point the heat transfer rate goes way
  95. >up (as evidenced by the thermocouple in my experiment (which does not,
  96.  
  97. But at this point you would be right back to "levitating" the LN2 away from
  98. the object and you would see according to your assertion, cycles of fast
  99. bubbling, slow bubbling, fast, slow, etc which is _not_ seen.
  100.  
  101. >BTW, show some huge heat spike from the latent heat of a phase
  102. >transition)).
  103.  
  104. As above, you would not see a heat spike, you would see a slowing down of the
  105. cooling momentarilly (with the new fast bubbles).  
  106. In fact, since the situation is far from equilibrium,
  107. you probally wouldn't see the eutectic halt unless you had a _very_ fast
  108. thermocouple and meter and indeed I would be hard pressed to say how you could
  109. seperate the fast cooling from the LN2 from the eutectic halt that adds some
  110. heat to the over all process.
  111.  
  112. > Nitrogen boils furiously for a while, and with my
  113. >experiment, in which the copper isn't fully immersed in the liquid
  114. >nitrogen, you can see that the liquid is now touching the metal, where
  115. >before it obviously wasn't.
  116.  
  117. I have done the same experiment myself in the lab (today, I just happen to
  118. use LN2 as a coolant for my experiments), and I only see the situation
  119. you describe when the sample is near LN2 temparture.  But if you look
  120. carefully, you will see that _between_ where the bubbles are breaking the
  121. surface, the LN2 is touching the surface.
  122.  
  123. >   Why does this happen only with metals? In order to be obvious there
  124. >has to be a long time between immersion of the object in the nitrogen and
  125. >the time when the surface of the object reaches a temperature which
  126. >allows nitrogen to touch it. This implies a high heat capacity (not
  127. >really true of metals) and/or a high thermal conductivity (very true of
  128. >metals). The high thermal conductivity of the copper means that the whole
  129. >penny has to be cooled down before the nitrogen can touch it, rather than
  130. >just a thin surface layer, as would be the case for styrofoam or wood.
  131. >
  132.  
  133. Ken Pearce,
  134. just a grad student in Physical Chemistry  }:)
  135.  
  136.  
  137. >
  138. >-- 
  139. > Christopher Neufeld....Just a graduate student  | Entropy isn't what it
  140. > neufeld@helios.physics.utoronto.ca    Ad astra  | used to be.
  141. > utzoo.utoronto.ca!generic!cneufeld              |
  142. > "Don't edit reality for the sake of simplicity" |
  143.  
  144.  
  145.