Latenttilämpö

latenttilämpö on aineen faasimuutokseen liittyvä energia.

Latenttilämpö

aiemmin on käsitelty lämmönsiirrosta johtuvaa lämpötilan muutosta. Lämpötilan muutosta ei tapahdu lämmönsiirrosta, jos jää sulaa ja muuttuu nestemäiseksi vedeksi (eli faasimuutoksen aikana). Ajatellaanpa esimerkiksi auringon lämmittämälle katolle sulavista jääpuikoista valuvaa vettä. Vastaavasti vesi jäätyy alempilämpöisen ympäristön jäähdyttämässä jäälautasessa.

Sulamisjäätikkö: ilman lämpö siirtyy jäähän aiheuttaen sen sulamisen.

kiinteän aineen sulamiseen tarvitaan energiaa, koska kiinteän aineen molekyylien väliset koossapitävät sidokset on katkaistava, jotta molekyylit voivat liikkua vertailukelpoisilla kineettisillä energioilla; näin lämpötila ei nouse. Samoin nesteen höyrystämiseen tarvitaan energiaa, koska nesteessä olevat molekyylit vuorovaikuttavat keskenään houkuttelevien voimien välityksellä. Lämpötilan muutosta ei tapahdu ennen kuin faasimuutos on valmis. Limonadilasillisen lämpötila aluksi 0 ºC: ssa pysyy 0 ºC: ssa, kunnes kaikki jää on sulanut. Vastaavasti energiaa vapautuu jäätymisen ja tiivistymisen aikana, yleensä lämpöenergiana. Työtä tekevät koossapitävät voimat, kun molekyylit tuodaan yhteen. Vastaava energia on annettava pois (haihtunut), jotta ne pysyvät yhdessä.

faasimuutokseen liittyvä energia riippuu kahdesta päätekijästä: sidosten tai voimaparien lukumäärästä ja voimakkuudesta. Sidosten lukumäärä on verrannollinen molekyylien määrään ja siten näytteen massaan. Voimien voimakkuus riippuu molekyylityypistä. Massaisen m näytteen vaiheen muuttamiseen tarvittava lämpö Q saadaan kaavasta

\text{Q}=\text{mL}_{\text{f}} (sulaminen tai jäätyminen)

\text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (höyrystyminen tai tiivistyminen)

, jossa fuusiolämpö LF ja latentti höyrystymislämpö Lv ovat kokeellisesti määritettyjä materiaalivakioita.

Faasitransitiot: a) energiaa tarvitaan osittain päihittämään kiinteässä molekyylissä olevat vetovoimat nesteen muodostamiseksi. Sama energia on poistettava, jotta jäätyminen tapahtuu. (b) molekyylit erotetaan toisistaan suurilla etäisyyksillä siirryttäessä nesteestä höyryyn, mikä vaatii huomattavaa energiaa molekyylien vetovoiman voittamiseksi. Sama energia on poistettava, jotta tiivistyminen tapahtuu. Lämpötilan muutosta ei tapahdu ennen kuin faasimuutos on valmis.

Latenttilämpö on intensiivinen ominaisuus, joka mitataan yksikköinä J / kg. Sekä Lf että Lv riippuvat aineesta, erityisesti sen molekyylivoimien vahvuudesta, kuten aiemmin todettiin. Lf: ää ja Lv: tä kutsutaan yhdessä latenttilämpökertoimiksi. Ne ovat piileviä eli piilossa, koska faasimuutoksissa energia tulee systeemiin tai lähtee siitä aiheuttamatta systeemissä lämpötilan muutosta, joten energia on itse asiassa piilossa. Huomaa, että sulaminen ja höyrystyminen ovat endotermisiä prosesseja, koska ne absorboivat tai vaativat energiaa, kun taas jäätyminen ja tiivistyminen ovat eksotermisiä prosesseja, koska ne vapauttavat energiaa.

Faasimuutoksiin liittyy merkittäviä määriä energiaa. Tarkastelkaamme esimerkiksi sitä, kuinka paljon energiaa tarvitaan sulattamaan kilogramma jäätä 0 ° C: ssa tuottaaksemme kilogramma vettä 0°C: ssa.käyttämällä yhtälöä lämpötilan muutokselle ja veden arvolle (334 kJ/kg), huomaamme, että Q=mLf=(1,0 kg)(334kJ/kg)=334kj on energia, jolla sulatetaan kilogramma jäätä. Tämä on paljon energiaa, koska se edustaa samaa energiamäärää, jota tarvitaan 1 kg nestemäisen veden lämpötilan nostamiseen 0ºC: sta 79,8 ºC: een. Veden höyrystämiseen tarvitaan vielä enemmän energiaa; tarvittaisiin 2256 kJ muuttamaan 1 kg nestemäistä vettä normaalissa kiehumispisteessä (100ºc ilmanpaineessa) höyryksi (vesihöyryksi). Tämä esimerkki osoittaa, että faasimuutoksen energia on valtava verrattuna energiaan, joka liittyy lämpötilan muutoksiin ilman faasimuutosta.

Vaihemuutoksilla voi olla valtava stabiloiva vaikutus (KS.kuva alla). Harkitse lämmön lisäämistä vakionopeudella näytteeseen, jossa on jäätä aluksi -20 ºC: ssa. Aluksi jään lämpötila nousee lineaarisesti, absorboiden lämpöä tasaisella nopeudella 0,50 cal/g⋅c, kunnes se saavuttaa 0 ºC: n. Tässä lämpötilassa jää alkaa sulaa, kunnes koko näyte on sulanut ja absorboi yhteensä 79,8 cal/g lämpöä. Lämpötila pysyy vakiona 0 ºC: ssa tämän faasimuutoksen aikana. Kun kaikki jää on sulanut, nestemäisen veden lämpötila nousee, absorboiden lämpöä uudella vakionopeudella 1,00 cal / G⋅C (muista, että ominaislämpö riippuu vaiheesta). 100ºc: ssa vesi alkaa kiehua ja lämpötila pysyy jälleen vakiona, kunnes vesi imee itseensä 539 cal/g lämpöä tämän faasimuutoksen loppuun saattamiseksi. Kun kaikki neste on muuttunut höyryksi, lämpötila nousee jälleen absorboiden lämpöä nopeudella 0,482 cal / g⋅C.

veden lämmitys ja Vaihemuutokset: kuvaaja lämpötilan ja energian lisäyksestä. Järjestelmä on rakennettu niin, että mikään höyry ei höyrysty jään lämmetessä nestemäiseksi vedeksi, ja niin, että höyrystymisen tapahtuessa höyry jää systeemiin. Tasaisten lämpötilojen pitkät osuudet 0ºC: ssa ja 100ºC: ssa heijastavat vastaavasti sulamisen ja höyrystymisen suurta latenttilämpöä.

tähän mennessä mainitsematta jäänyt faasimuutos on sublimaatio, kiinteän aineen siirtyminen suoraan höyryksi. Päinvastaista tapausta, jossa höyry siirtyy suoraan kiinteäksi, kutsutaan depositioksi. Sublimaatiolla on oma latenttilämpönsä Ls ja sitä voidaan käyttää samalla tavalla kuin Lvand Lf.