Latente Wärme

Die latente Wärme ist die Energie, die mit einer Phasenänderung einer Substanz verbunden ist.

Latente Wärme

Zuvor haben wir Temperaturänderungen aufgrund von Wärmeübertragung diskutiert. Keine Temperaturänderung tritt von der Wärmeübertragung auf, wenn Eis schmilzt und flüssiges Wasser wird (d. h. während einer Phasenänderung). Betrachten Sie zum Beispiel Wasser, das von Eiszapfen tropft, die auf einem von der Sonne erwärmten Dach schmelzen. Umgekehrt gefriert Wasser in einer Eisschale, die durch eine Umgebung mit niedrigerer Temperatur gekühlt wird.

Schmelzender Eiszapfen: Wärme aus der Luft wird auf das Eis übertragen, wodurch es schmilzt.

Zum Schmelzen eines Feststoffs wird Energie benötigt, da die kohäsiven Bindungen zwischen den Molekülen im Feststoff aufgebrochen werden müssen, damit sich die Moleküle mit vergleichbaren kinetischen Energien bewegen können. In ähnlicher Weise wird Energie benötigt, um eine Flüssigkeit zu verdampfen, da Moleküle in einer Flüssigkeit über Anziehungskräfte miteinander interagieren. Es gibt keine Temperaturänderung, bis eine Phasenänderung abgeschlossen ist. Die Temperatur eines Glases Limonade anfangs bei 0 ºC bleibt bei 0 ºC, bis das gesamte Eis geschmolzen ist. Umgekehrt wird beim Gefrieren und Kondensieren Energie freigesetzt, meist in Form von Wärmeenergie. Arbeit wird durch Kohäsionskräfte geleistet, wenn Moleküle zusammengebracht werden. Die entsprechende Energie muss abgegeben (dissipiert) werden, damit sie zusammen bleiben können.

Die an einem Phasenwechsel beteiligte Energie hängt von zwei Hauptfaktoren ab: der Anzahl und Stärke von Bindungen oder Kraftpaaren. Die Anzahl der Bindungen ist proportional zur Anzahl der Moleküle und damit zur Masse der Probe. Die Stärke der Kräfte hängt von der Art der Moleküle ab. Die Wärme Q, die benötigt wird, um die Phase einer Probe der Masse m zu ändern, ist gegeben durch

\text{Q}=\text{mL}_{\text{f}} (Schmelzen oder Gefrieren)

\text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (Verdampfen oder Kondensieren)

wobei die latente Schmelzwärme Lf und die latente Verdampfungswärme Lv Materialkonstanten sind, die experimentell bestimmt werden.

Phasenübergänge: (a) Energie wird benötigt, um die Anziehungskräfte zwischen Molekülen in einem Feststoff teilweise zu überwinden, um eine Flüssigkeit zu bilden. Dieselbe Energie muss entfernt werden, damit das Einfrieren stattfinden kann. (b) Moleküle sind beim Übergang von Flüssigkeit zu Dampf durch große Entfernungen voneinander getrennt, was erhebliche Energie erfordert, um die molekulare Anziehung zu überwinden. Die gleiche Energie muss entfernt werden, damit Kondensation stattfinden kann. Es gibt keine Temperaturänderung, bis eine Phasenänderung abgeschlossen ist.

Latente Wärme ist eine intensive Eigenschaft, die in Einheiten von J/kg gemessen wird. Sowohl Lf als auch Lv hängen von der Substanz ab, insbesondere von der Stärke ihrer molekularen Kräfte, wie bereits erwähnt. Lf und Lv werden zusammen als Latentwärmekoeffizienten bezeichnet. Sie sind latent oder verborgen, weil bei Phasenänderungen Energie in ein System eintritt oder es verlässt, ohne eine Temperaturänderung im System zu verursachen. Beachten Sie, dass Schmelzen und Verdampfen endotherme Prozesse sind, da sie Energie absorbieren oder benötigen, während Einfrieren und Kondensation exotherme Prozesse sind, da sie Energie freisetzen.

An Phasenänderungen sind erhebliche Energiemengen beteiligt. Schauen wir uns zum Beispiel an, wie viel Energie benötigt wird, um ein Kilogramm Eis bei 0º C zu schmelzen, um ein Kilogramm Wasser bei 0 ° C zu erzeugen. Unter Verwendung der Gleichung für eine Temperaturänderung und des Wertes für Wasser (334 kJ / kg) finden wir, dass Q = mLf =(1,0 kg)(334 Kj / kg)=334 Kj die Energie ist, um ein Kilogramm Eis zu schmelzen. Dies ist eine Menge Energie, da es die gleiche Menge an Energie darstellt, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 kg flüssigem Wasser von 0ºC auf 79,8 ºC zu erhöhen. Noch mehr Energie wird benötigt, um Wasser zu verdampfen; es würden 2256 kJ benötigt, um 1 kg flüssiges Wasser bei normalem Siedepunkt (100ºC bei Atmosphärendruck) in Dampf (Wasserdampf) umzuwandeln. Dieses Beispiel zeigt, dass die Energie für einen Phasenwechsel im Vergleich zu Energie, die mit Temperaturänderungen ohne Phasenwechsel verbunden ist, enorm ist.

Phasenänderungen können eine enorme stabilisierende Wirkung haben (siehe Abbildung unten). Erwägen Sie, einer Eisprobe zunächst bei -20 ºC Wärme mit konstanter Geschwindigkeit zuzusetzen. Anfänglich steigt die Temperatur des Eises linear an und absorbiert Wärme mit einer konstanten Rate von 0,50 cal / g ⋅ C, bis sie 0 ºC erreicht. Bei dieser Temperatur beginnt das Eis zu schmelzen, bis die gesamte Probe geschmolzen ist und insgesamt 79,8 cal / g Wärme absorbiert. Die Temperatur bleibt während dieser Phasenänderung konstant bei 0 ºC. Sobald das gesamte Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur des flüssigen Wassers an und absorbiert Wärme mit einer neuen konstanten Rate von 1,00 cal / g ⋅ C (denken Sie daran, dass bestimmte Wärmemengen phasenabhängig sind). Bei 100ºC beginnt das Wasser zu kochen und die Temperatur bleibt wieder konstant, bis das Wasser 539 cal / g Wärme aufnimmt, um diesen Phasenwechsel abzuschließen. Wenn die gesamte Flüssigkeit zu Dampf geworden ist, steigt die Temperatur wieder an und absorbiert Wärme mit einer Geschwindigkeit von 0,482 cal/ g⋅C.

Erwärmung und Phasenänderungen von Wasser: Ein Diagramm der Temperatur gegenüber der hinzugefügten Energie. Das System ist so konstruiert, dass kein Dampf verdampft, während sich Eis erwärmt, um flüssiges Wasser zu werden, und dass der Dampf bei Verdampfung im System verbleibt. Die langen Strecken konstanter Temperaturwerte bei 0ºC und 100ºC spiegeln die große latente Schmelz- bzw. Verdampfungswärme wider.

Eine Phasenänderung, die wir bisher vernachlässigt haben, ist die Sublimation, der Übergang von Feststoff direkt in Dampf. Der entgegengesetzte Fall, in dem Dampf direkt in einen Feststoff übergeht, wird als Abscheidung bezeichnet. Sublimation hat seine eigene latente Wärme Ls und kann auf die gleiche Weise wie Lvund Lf verwendet werden.