ciepło utajone

ciepło utajone to energia związana ze zmianą fazy substancji.

ciepło utajone

wcześniej omawialiśmy zmianę temperatury spowodowaną transferem ciepła. Nie następuje zmiana temperatury z wymiany ciepła, jeśli lód topi się i staje się ciekłą wodą (tj. podczas zmiany fazy). Na przykład rozważ kapiącą wodę z sopli topniejących na dachu rozgrzanym przez słońce. Odwrotnie, woda zamarza w tacy Lodowej chłodzonej przez otoczenie o niższej temperaturze.

topliwy Sopel Lodowy: ciepło z powietrza przenosi się do lodu, powodując jego stopienie.

energia jest wymagana do stopienia ciała stałego, ponieważ spoiste wiązania między cząsteczkami w ciele stałym muszą zostać rozbite, aby cząsteczki mogły poruszać się przy porównywalnych energiach kinetycznych; zatem nie ma wzrostu temperatury. Podobnie, energia jest potrzebna do odparowania cieczy, ponieważ cząsteczki w cieczy oddziałują ze sobą poprzez siły atrakcyjne. Nie ma zmiany temperatury, dopóki zmiana fazy nie zostanie zakończona. Temperatura szklanki lemoniady początkowo w 0 ºC utrzymuje się na poziomie 0 ºC, aż cały lód stopi się. Odwrotnie, energia jest uwalniana podczas zamrażania i kondensacji, zwykle w postaci energii cieplnej. Praca jest wykonywana przez siły kohezyjne, gdy cząsteczki są połączone. Odpowiednia energia musi Zostać oddana (rozproszona), aby umożliwić im pozostanie razem.

energia związana ze zmianą fazy zależy od dwóch głównych czynników: liczby i siły wiązań lub par sił. Liczba wiązań jest proporcjonalna do liczby cząsteczek, a tym samym do masy próbki. Siła sił zależy od rodzaju cząsteczek. Ciepło Q wymagane do zmiany fazy próbki o masie M jest podane przez

\text{Q}=\text{mL}_{\text{f}} (topienie lub zamrażanie)

\text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (parowanie lub kondensacja)

gdzie utajone ciepło fuzji, Lf i utajone ciepło parowania, Lv, są stałymi materiałowymi wyznaczanymi doświadczalnie.

przejścia fazowe: (a) energia jest wymagana do częściowego przezwyciężenia sił atrakcyjnych między cząsteczkami w ciele stałym, aby utworzyć ciecz. Ta sama energia musi zostać usunięta, aby doszło do zamrożenia. (b) cząsteczki są oddzielone dużymi odległościami podczas przechodzenia od cieczy do pary, wymagając znacznej energii do przezwyciężenia przyciągania molekularnego. Ta sama energia musi zostać usunięta, aby doszło do kondensacji. Nie ma zmiany temperatury, dopóki zmiana fazy nie zostanie zakończona.

ciepło utajone jest właściwością intensywną mierzoną w jednostkach J/kg. Zarówno Lf, jak i Lv zależą od substancji, w szczególności od siły jej sił molekularnych, jak wspomniano wcześniej. Lf i Lv są łącznie nazywane utajonymi współczynnikami ciepła. Są one utajone lub ukryte, ponieważ podczas zmian fazowych energia wchodzi lub opuszcza system bez powodowania zmiany temperatury w systemie; tak więc, w efekcie, energia jest ukryta. Należy zauważyć, że topienie i parowanie są procesami endotermicznymi, ponieważ pochłaniają lub wymagają energii, podczas gdy zamrażanie i kondensacja są procesem egzotermicznym, ponieważ uwalniają energię.

znaczne ilości energii biorą udział w zmianach fazowych. Przyjrzyjmy się na przykład, ile energii jest potrzebne do stopienia kilograma lodu w temperaturze 0°C, aby wyprodukować kilogram wody w temperaturze 0 ° C. używając równania dla zmiany temperatury i wartości dla wody (334 kJ/kg), stwierdzamy, że Q=mLf=(1,0 kg)(334kj/kg)=334kj jest energią do stopienia kilograma lodu. Jest to dużo energii, ponieważ stanowi taką samą ilość energii potrzebną do podniesienia temperatury 1 kg ciekłej wody z 0ºC do 79,8 ºC. Do odparowania wody potrzeba jeszcze więcej energii; potrzeba 2256 kJ, aby zmienić 1 kg ciekłej wody w normalnej temperaturze wrzenia (100ºC pod ciśnieniem atmosferycznym) na parę (parę wodną). Ten przykład pokazuje, że energia dla zmiany fazy jest ogromna w porównaniu do energii związanej ze zmianami temperatury bez zmiany fazy.

zmiany fazowe mogą mieć ogromny efekt stabilizujący (patrz rysunek poniżej). Rozważ dodanie ciepła ze stałą szybkością do próbki lodu początkowo w temperaturze -20 ° C. Początkowo temperatura lodu wzrasta liniowo, pochłaniając ciepło ze stałą prędkością 0,50 cal / g⋅C, aż osiągnie 0 ºC. Po osiągnięciu tej temperatury lód zaczyna się topić, aż cała próbka się stopi, pochłaniając łącznie 79,8 cal/g ciepła. Podczas tej zmiany fazy temperatura pozostaje stała na poziomie 0 ºC. Gdy lód stopi się, Temperatura ciekłej wody wzrasta, pochłaniając ciepło z nową stałą szybkością 1,00 cal/g⋅C (pamiętaj, że specyficzne temperatury zależą od fazy). W temperaturze 100ºC woda zaczyna wrzeć, a temperatura ponownie pozostaje stała, dopóki woda nie pochłonie 539 cal / G ciepła, aby zakończyć tę zmianę fazy. Gdy cała ciecz stanie się parą, Temperatura ponownie wzrośnie, pochłaniając ciepło z szybkością 0,482 cal / g⋅C.

ogrzewanie i zmiany fazy wody: dodany wykres temperatury w stosunku do energii. System jest skonstruowany tak, że żadna para nie odparowuje, podczas gdy lód rozgrzewa się, aby stać się ciekłą wodą, i tak, że gdy zachodzi parowanie, para pozostaje w systemie. Długie odcinki stałych wartości temperatury w 0ºC i 100ºC odzwierciedlają odpowiednio duże utajone ciepło topnienia i parowania.

zmiana fazy, o której do tej pory zapomnieliśmy wspomnieć, to sublimacja, czyli przejście ciała stałego bezpośrednio w parę. Przeciwny przypadek, w którym pary przechodzą bezpośrednio w ciało stałe, nazywa się osadzaniem. Sublimacja ma własne ciepło utajone Ls i może być używana w taki sam sposób jak Lvand Lf.