latentní teplo

latentní teplo je energie spojená s fázovou změnou látky.

Latentní Teplo

Dříve, diskutovali jsme i o změnu teploty vzhledem k přenosu tepla. Při přenosu tepla nedochází ke změně teploty, pokud se led roztaví a stane se kapalnou vodou (tj. Zvažte například kapání vody z rampouchů, které se tají na střeše zahřáté sluncem. Naopak voda zamrzne v ledové misce chlazené okolím s nižší teplotou.

Tající Rampouch: Teplo ze vzduchu převádí na ledu, přimět to, aby tát.

Energie je nutné k roztavení pevné, protože soudržné vazby mezi molekulami v tuhých musí být rozdělena tak, že se molekuly mohou pohybovat na srovnatelné kinetickou energii; to znamená, není tam žádný nárůst teploty. Podobně je zapotřebí energie k odpařování kapaliny, protože molekuly v kapalině spolu interagují prostřednictvím atraktivních sil. Nedochází ke změně teploty, dokud není dokončena změna fáze. Teplota sklenice limonády zpočátku při 0 ° C zůstává na 0 ° C, dokud se veškerý led neroztaví. Naopak energie se uvolňuje během zmrazování a kondenzace, obvykle ve formě tepelné energie. Práce se provádí soudržnými silami, když jsou molekuly spojeny. Odpovídající energie musí být vydávána (rozptýlena), aby mohla zůstat pohromadě.

energie ve fázi změny závisí na dvou hlavních faktorech: počet a sílu dluhopisů nebo nutit páry. Počet vazeb je úměrný počtu molekul a tím i hmotnosti vzorku. Síla sil závisí na typu molekul. Teplo Q potřebné ke změně fáze ze vzorku o hmotnosti m, je dána tím,

\text{Q}=\text{mL}_{\text{f}} (tavení nebo tuhnutí)

\text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (odpařování nebo kondenzace)

kde latentní teplo tání, Lf, a latentní teplo odpařování, Lv, jsou materiálové konstanty, které jsou stanoveny experimentálně.

Fázové Přechody: (a) Energie je zapotřebí, aby částečně překonat přitažlivé síly mezi molekulami v solidní formě kapaliny. Stejná energie musí být odstraněna, aby došlo k zmrazení. (b) molekuly jsou odděleny velkými vzdálenostmi při přechodu z kapaliny na páru, což vyžaduje značnou energii k překonání molekulární přitažlivosti. Stejná energie musí být odstraněna, aby došlo ke kondenzaci. Nedochází ke změně teploty, dokud není dokončena změna fáze.

latentní teplo je intenzivní vlastnost měřená v jednotkách J / kg. Jak Lf, tak Lv závisí na látce, zejména na síle jejích molekulárních sil, jak bylo uvedeno výše. LF a Lv se souhrnně nazývají latentní tepelné koeficienty. Jsou latentní nebo skryté, protože ve fázových změnách energie vstupuje nebo opouští systém, aniž by způsobila změnu teploty v systému; takže ve skutečnosti je energie skrytá. Všimněte si, že tavení a odpařování jsou endotermické procesy v tom, že absorbují, nebo vyžadují energii, zatímco mrazu a kondenzace jsou exotermní proces, jak se uvolnění energie.

významné množství energie se podílí na fázových změnách. Pojďme se podívat například na to, kolik energie je potřeba k roztavení kilogram ledu na 0 ° C k produkci kilogramu vody o teplotě 0°C. Pomocí rovnice pro změnu teploty a hodnoty pro vodu (334 kJ/kg), zjistíme, že Q=mLf=(1,0 kg)(334kJ/kg)=334kJ je energie rozpustit kilogram ledu. To je hodně energie, neboť představuje stejné množství energie potřebné ke zvýšení teploty 1 kg vody z 0 ° C 79,8 ° C. K odpařování vody je zapotřebí ještě více energie; změna 1 kg kapalné vody při normálním bodu varu (100 ° C při atmosférickém tlaku) na páru (vodní pára) by vyžadovala 2256 kJ. Tento příklad ukazuje, že energie pro změnu fáze je obrovská ve srovnání s energií spojenou se změnami teploty bez změny fáze.

fázové změny mohou mít obrovský stabilizační účinek (viz obrázek níže). Zvažte přidání tepla konstantní rychlostí ke vzorku ledu zpočátku při -20 ° C. Zpočátku teplota ledu stoupá lineárně, absorbuje teplo v konstantní výši 0.50 cal/g⋅C, dokud nedosáhne 0 ° C. Jakmile se při této teplotě LED začne tát, dokud se celý vzorek neroztaví, absorbuje celkem 79,8 cal / g tepla. Teplota zůstává konstantní při 0 ° C během této změny fáze. Jakmile se veškerý led roztaví, teplota kapalné vody stoupá a absorbuje teplo novou konstantní rychlostí 1, 00 cal / g⋅C (nezapomeňte, že konkrétní teplo závisí na fázi). Na 100 ° C, voda začne vařit a teplota opět zůstává konstantní, dokud se voda absorbuje 539 cal/g tepla k dokončení této fáze změnit. Když je všechna kapalina se stala pára, teplota opět stoupá, absorbující teplo ve výši 0.482 cal/g⋅C.

Vytápění a Fázové Změny Vody: graf teploty v závislosti na přidané energie. Systém je konstruován tak, aby se žádná pára neodpařovala, zatímco se led zahřívá, aby se stal kapalnou vodou, a tak, když dojde k odpařování, pára zůstává v systému. Dlouhé úseky konstantních hodnot teploty při 0 ° C a 100 ° C odrážejí velké latentní teplo tavení a odpařování.

fázovou změnou, kterou jsme dosud zanedbali, je sublimace, přechod pevné látky přímo na páru. Opačný případ, kdy páry přecházejí přímo do pevné látky, se nazývá depozice. Sublimace má své vlastní latentní teplo Ls a může být použita stejným způsobem jako Lvand Lf.