Latent varme

den latente varme er energien forbundet med en faseændring af et stof.

nøgle grillbarer

nøglepunkter

• energi er nødvendig for at ændre fasen af et stof, såsom energien til at bryde bindingerne mellem molekyler i en isblok, så den kan smelte.
• under en faseændring energi min tilføjes eller trækkes fra et system, men temperaturen ændres ikke. Temperaturen ændres kun, når faseændringen er afsluttet.
• den varme, der kræves for at ændre fasen af en prøve af masse m, er givet ved \tekst{ml}=\tekst{mL}_{\tekst{f}} (smeltning eller frysning) og \tekst{ml}=\tekst{mL}_{\tekst{v}} (fordampning eller kondensering), hvor Lf og Lv er henholdsvis den latente fusionsvarme og den latente fordampningsvarme.

nøglebegreber

• latent fusionsvarme: den energi, der kræves for at overføre en enhed af et stof fra fast stof til væske; tilsvarende frigøres energien, når en enhed af et stof overgår fra væske til fast stof.latent fordampningsvarme: den energi, der kræves for at overføre en enhed af et stof fra væske til damp; tilsvarende frigøres energien, når en enhed af et stof overgår fra damp til væske.
• sublimering: overgangen af et stof fra den faste fase direkte til damptilstanden, således at den ikke passerer gennem den mellemliggende, flydende fase

Latent varme

tidligere har vi diskuteret temperaturændring på grund af varmeoverførsel. Der sker ingen temperaturændring fra varmeoverførsel, hvis isen smelter og bliver flydende vand (dvs.under en faseændring). Overvej for eksempel vand, der drypper fra istapper, der smelter på et tag opvarmet af solen. Omvendt fryser vand i en isbakke afkølet af omgivelser med lavere temperatur.

smeltende is: varme fra luften overføres til isen, der får den til at smelte.

energi kræves for at smelte et fast stof, fordi de sammenhængende bindinger mellem molekylerne i det faste stof skal brydes fra hinanden, så molekylerne kan bevæge sig rundt ved sammenlignelige kinetiske energier; der er således ingen temperaturstigning. Tilsvarende er energi nødvendig for at fordampe en væske, fordi molekyler i en væske interagerer med hinanden via attraktive kræfter. Der er ingen temperaturændring, før en faseændring er afsluttet. Temperaturen på et glas limonade oprindeligt ved 0 liter forbliver ved 0 liter, indtil al isen er smeltet. Omvendt frigives energi under frysning og kondens, normalt i form af termisk energi. Arbejdet udføres af sammenhængende kræfter, når molekyler bringes sammen. Den tilsvarende energi skal afgives (spredes) for at give dem mulighed for at forblive sammen.

energien involveret i en faseændring afhænger af to hovedfaktorer: antallet og styrken af bindinger eller kraftpar. Antallet af bindinger er proportional med antallet af molekyler og dermed til prøveens masse. Styrken af kræfter afhænger af typen af molekyler. Den varme, der kræves for at ændre fasen af en prøve af masse m, er givet ved

\tekst{mL}_{\tekst {f}} (smeltning eller frysning)

\tekst{ml}=\tekst{mL}_{\tekst {v}} (fordampning eller kondensering)

hvor den latente varme af fusion, Lf og latent fordampningsvarme, Lv, er materialekonstanter, der bestemmes eksperimentelt.

faseovergange: (a) energi kræves for delvist at overvinde de attraktive kræfter mellem molekyler i et fast stof til dannelse af en væske. Den samme energi skal fjernes for at frysning kan finde sted. (B) molekyler adskilles af store afstande, når de går fra væske til damp, hvilket kræver betydelig energi for at overvinde molekylær tiltrækning. Den samme energi skal fjernes for at kondens kan finde sted. Der er ingen temperaturændring, før en faseændring er afsluttet.

Latent varme er en intensiv egenskab målt i enheder på J / kg. Både Lf og Lv afhænger af stoffet, især på styrken af dets molekylære kræfter som tidligere nævnt. Lf og Lv kaldes samlet latente varmekoefficienter. De er latente eller skjulte, fordi energi i faseændringer kommer ind i eller forlader et system uden at forårsage en temperaturændring i systemet; så i virkeligheden er energien skjult. Bemærk, at smeltning og fordampning er endoterme processer, idet de absorberer eller kræver energi, mens frysning og kondens er eksoterm proces, når de frigiver energi.

betydelige mængder energi er involveret i faseændringer. Lad os for eksempel se på, hvor meget energi der er behov for at smelte et kilo is ved 0 liter C for at producere et kilo vand ved 0 liter C. Ved hjælp af ligningen for en temperaturændring og værdien for vand (334 kJ/kg) finder vi, at K=mLf=(1,0 kg)(334kj/kg)=334kj er energien til at smelte et kilo is. Dette er meget energi, da det repræsenterer den samme mængde energi, der er nødvendig for at hæve temperaturen på 1 kg flydende vand fra 0 liter til 79,8 liter. Der kræves endnu mere energi for at fordampe vand; det ville tage 2256 kJ at skifte 1 kg flydende vand ved det normale kogepunkt (100 liter ved atmosfærisk tryk) til damp (vanddamp). Dette eksempel viser, at energien til en faseændring er enorm sammenlignet med energi forbundet med temperaturændringer uden en faseændring.

faseændringer kan have en enorm stabiliserende effekt (se figur nedenfor). Overvej at tilføje varme med en konstant hastighed til en prøve af is oprindeligt ved -20 liter. Oprindeligt stiger isens temperatur lineært og absorberer varme med en konstant hastighed på 0,50 cal / g liter C, indtil den når 0 liter. En gang ved denne temperatur begynder isen at smelte, indtil hele prøven er smeltet og absorberer i alt 79,8 cal/g varme. Temperaturen forbliver konstant ved 0 liter under denne faseændring. Når al isen er smeltet, stiger temperaturen på det flydende vand og absorberer varme med en ny konstant hastighed på 1,00 cal/g liter C (husk, at specifikke opvarmninger er afhængige af fase). Ved 100 liter begynder vandet at koge, og temperaturen forbliver igen konstant, indtil vandet absorberer 539 cal/g varme for at fuldføre denne faseændring. Når al væsken er blevet damp, stiger temperaturen igen og absorberer varme med en hastighed på 0,482 cal/g liter C.

opvarmning og faseændringer af vand: en graf over temperatur versus energi tilføjet. Systemet er konstrueret således, at ingen damp fordamper, mens isen opvarmes til at blive flydende vand, og således at dampen forbliver i systemet, når fordampning sker. De lange strækninger med konstante temperaturværdier ved 0 liter og 100 liter afspejler henholdsvis den store latente varme ved smeltning og fordampning.

en faseændring, vi hidtil har forsømt at nævne, er sublimering, overgangen af fast stof direkte til damp. Det modsatte tilfælde, hvor dampovergange direkte til et fast stof, kaldes aflejring. Sublimering har sin egen latente varme Ls og kan bruges på samme måde som Lvand Lf.