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Boundless Physics

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Latent Heat

Il calore latente è l’energia associata a un cambiamento di fase di una sostanza.

Obiettivi di Apprendimento

Descrivere il calore latente come una forma di energia

Takeaway Chiave

Punti Chiave

  • l’Energia è necessaria per modificare la fase di una sostanza, come l’energia per rompere i legami tra le molecole in un blocco di ghiaccio in modo che si può sciogliere.
  • Durante un cambiamento di fase energia mia essere aggiunto o sottratto da un sistema, ma la temperatura non cambierà. La temperatura cambierà solo quando il cambiamento di fase è completato.
  • Il calore Q richiesto di modificare la fase di un campione di massa m è data da \text{D}=\text{mL}_{\text{f}} (fusione o di congelamento) e \text{D}=\text{mL}_{\text{v}} (evaporazione o condensazione), dove Lf e Lv sono il calore latente di fusione e il calore latente di vaporizzazione, rispettivamente.

Termini chiave

  • calore latente di fusione: l’energia necessaria per la transizione di un’unità di una sostanza dal solido al liquido; equivalentemente, l’energia liberata quando un’unità di una sostanza transita da liquido a solido.
  • calore latente di vaporizzazione: l’energia necessaria per la transizione di un’unità di una sostanza dal liquido al vapore; equivalentemente, l’energia liberata quando un’unità di una sostanza transita dal vapore al liquido.
  • sublimazione: la transizione di una sostanza dalla fase solida direttamente allo stato di vapore in modo tale che non passi attraverso la fase liquida intermedia

Calore latente

In precedenza, abbiamo discusso il cambiamento di temperatura dovuto al trasferimento di calore. Nessun cambiamento di temperatura si verifica dal trasferimento di calore se il ghiaccio si scioglie e diventa acqua liquida (cioè, durante un cambiamento di fase). Ad esempio, considera l’acqua che gocciola dai ghiaccioli che si sciolgono su un tetto riscaldato dal sole. Al contrario, l’acqua si congela in un vassoio di ghiaccio raffreddato da un ambiente a temperatura inferiore.

Ghiacciolo di fusione: il calore dell’aria si trasferisce sul ghiaccio facendolo sciogliere.

L’energia è necessaria per fondere un solido perché i legami coesivi tra le molecole nel solido devono essere spezzati in modo che le molecole possano muoversi a energie cinetiche comparabili; quindi, non c’è aumento della temperatura. Allo stesso modo, l’energia è necessaria per vaporizzare un liquido, perché le molecole in un liquido interagiscono tra loro tramite forze attraenti. Non vi è alcun cambiamento di temperatura fino al completamento di un cambiamento di fase. La temperatura di un bicchiere di limonata inizialmente a 0 ºC rimane a 0 ºC fino a quando tutto il ghiaccio si è sciolto. Al contrario, l’energia viene rilasciata durante il congelamento e la condensazione, di solito sotto forma di energia termica. Il lavoro è fatto da forze coesive quando le molecole sono riunite. L’energia corrispondente deve essere emessa (dissipata) per consentire loro di rimanere insieme.

L’energia coinvolta in un cambiamento di fase dipende da due fattori principali: il numero e la forza di legami o coppie di forze. Il numero di legami è proporzionale al numero di molecole e quindi alla massa del campione. La forza delle forze dipende dal tipo di molecole. Il calore Q richiesto di modificare la fase di un campione di massa m è dato da

\text{D}=\text{mL}_{\text{f}} (fusione o di congelamento)

\text{D}=\text{mL}_{\text{v}} (evaporazione o condensazione)

in cui il calore latente di fusione, Lf, e il calore latente di vaporizzazione, Lv, sono le costanti del materiale che sono determinati sperimentalmente.

Transizioni di fase: (a) L’energia è necessaria per superare parzialmente le forze attrattive tra le molecole in un solido per formare un liquido. Quella stessa energia deve essere rimossa perché il congelamento abbia luogo. (b) Le molecole sono separate da grandi distanze quando vanno dal liquido al vapore, richiedendo energia significativa per superare l’attrazione molecolare. La stessa energia deve essere rimossa per la condensazione. Non vi è alcun cambiamento di temperatura fino al completamento di un cambiamento di fase.

Il calore latente è una proprietà intensiva misurata in unità di J / kg. Sia Lf che Lv dipendono dalla sostanza, in particolare dalla forza delle sue forze molecolari come notato in precedenza. Lf e Lv sono chiamati collettivamente coefficienti di calore latente. Sono latenti, o nascosti, perché nei cambiamenti di fase, l’energia entra o esce da un sistema senza causare un cambiamento di temperatura nel sistema; quindi, in effetti, l’energia è nascosta. Si noti che la fusione e la vaporizzazione sono processi endotermici in quanto assorbono o richiedono energia, mentre il congelamento e la condensazione sono processi esotermici mentre rilasciano energia.

Riscaldamento del ghiaccio: Andrew Vanden Heuvel esplora il calore latente mentre cerca di raffreddare la sua soda.

Quantità significative di energia sono coinvolte nei cambiamenti di fase. Vediamo, ad esempio, quanta energia è necessaria per fondere un chilogrammo di ghiaccio a 0º C per produrre un chilogrammo di acqua a 0°C. Usando l’equazione per un cambiamento di temperatura e il valore per l’acqua (334 kJ/kg), scopriamo che Q=mLf=(1.0 kg)(334kJ/kg)=334kJ è l’energia per fondere un chilogrammo di ghiaccio. Questa è molta energia in quanto rappresenta la stessa quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di 1 kg di acqua liquida da 0ºC a 79,8 ºC. Ancora più energia è necessaria per vaporizzare l’acqua; ci vorrebbero 2256 kJ per cambiare 1 kg di acqua liquida al normale punto di ebollizione (100ºC a pressione atmosferica) in vapore (vapore acqueo). Questo esempio mostra che l’energia per un cambiamento di fase è enorme rispetto all’energia associata a cambiamenti di temperatura senza un cambiamento di fase.

I cambiamenti di fase possono avere un enorme effetto stabilizzante (vedi figura sotto). Considerare l’aggiunta di calore a velocità costante a un campione di ghiaccio inizialmente a -20 ºC. Inizialmente la temperatura del ghiaccio aumenta linearmente, assorbendo calore ad una velocità costante di 0,50 cal/g C C fino a raggiungere 0 ºC. Una volta a questa temperatura, il ghiaccio inizia a sciogliersi fino a quando tutto il campione intero si è sciolto, assorbendo un totale di 79,8 cal/g di calore. La temperatura rimane costante a 0 ºC durante questo cambiamento di fase. Una volta che tutto il ghiaccio si è sciolto, la temperatura dell’acqua liquida aumenta, assorbendo calore ad una nuova velocità costante di 1,00 cal/g C C (ricorda che i riscaldamenti specifici dipendono dalla fase). A 100ºC, l’acqua inizia a bollire e la temperatura rimane costante fino a quando l’acqua assorbe 539 cal/g di calore per completare questo cambiamento di fase. Quando tutto il liquido è diventato vapore, la temperatura sale di nuovo, assorbendo calore ad una velocità di 0,482 cal / g C C.

Riscaldamento e cambiamenti di fase dell’acqua: un grafico della temperatura rispetto all’energia aggiunta. Il sistema è costruito in modo che nessun vapore evapori mentre il ghiaccio si scalda per diventare acqua liquida e in modo che, quando si verifica la vaporizzazione, il vapore rimanga nel sistema. I lunghi tratti di valori di temperatura costanti a 0ºC e 100ºC riflettono il grande calore latente di fusione e vaporizzazione, rispettivamente.

Un cambiamento di fase che abbiamo trascurato di menzionare finora è la sublimazione, la transizione del solido direttamente in vapore. Il caso opposto, in cui il vapore transita direttamente in un solido, è chiamato deposizione. La sublimazione ha il suo calore latente Ls e può essere utilizzata allo stesso modo di Lvand Lf.