căldura latentă

căldura latentă este energia asociată cu o schimbare de fază a unei substanțe.

căldură latentă

anterior, am discutat despre schimbarea temperaturii datorită transferului de căldură. Nu se produce nicio schimbare de temperatură din transferul de căldură dacă gheața se topește și devine apă lichidă (adică în timpul unei schimbări de fază). De exemplu, luați în considerare scurgerea apei din gheață care se topește pe un acoperiș încălzit de soare. În schimb, apa îngheață într-o tavă de gheață răcită de împrejurimile cu temperaturi mai scăzute.

topirea gheții: căldura din aer se transferă pe gheață, determinând topirea acesteia.

energia este necesară pentru a topi un solid, deoarece legăturile coezive dintre moleculele din solid trebuie rupte, astfel încât moleculele să se poată deplasa la energii cinetice comparabile; astfel, nu există o creștere a temperaturii. În mod similar, energia este necesară pentru a vaporiza un lichid, deoarece moleculele dintr-un lichid interacționează între ele prin forțe atractive. Nu există nicio schimbare de temperatură până când o schimbare de fază nu este completă. Temperatura unui pahar de limonadă inițial la 0 CENTICC rămâne la 0 CENTICC până când toată gheața s-a topit. În schimb, energia este eliberată în timpul înghețării și condensării, de obicei sub formă de energie termică. Munca se face prin forțe coezive atunci când moleculele sunt reunite. Energia corespunzătoare trebuie să fie eliberată (disipată) pentru a le permite să rămână împreună.

energia implicată într-o schimbare de fază depinde de doi factori majori: numărul și puterea legăturilor sau perechilor de forțe. Numărul de legături este proporțional cu numărul de molecule și, astfel, cu masa probei. Puterea forțelor depinde de tipul de molecule. Căldura Q necesară pentru a schimba faza unui eșantion de masă m este dată de

\text{Q}=\text{mL}_{\text{f}} (topire sau congelare)

\text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (evaporare sau condensare)

unde căldura latentă de fuziune, Lf și căldura latentă de vaporizare, Lv, sunt constante materiale care sunt determinate experimental.

tranziții de fază: (a) Energia este necesară pentru a depăși parțial forțele de atracție dintre moleculele dintr-un solid pentru a forma un lichid. Aceeași energie trebuie eliminată pentru ca înghețarea să aibă loc. (B) moleculele sunt separate de distanțe mari atunci când trec de la lichid la vapori, necesitând o energie semnificativă pentru a depăși atracția moleculară. Aceeași energie trebuie îndepărtată pentru ca condensul să aibă loc. Nu există nicio schimbare de temperatură până când o schimbare de fază nu este completă.

căldura latentă este o proprietate intensivă măsurată în unități de J / kg. Atât Lf, cât și Lv depind de substanță, în special de puterea forțelor sale moleculare, așa cum s-a menționat anterior. LF și Lv sunt denumite colectiv coeficienți de căldură latenți. Ele sunt latente sau ascunse, deoarece în schimbările de fază, energia intră sau iese dintr-un sistem fără a provoca o schimbare de temperatură în sistem; deci, de fapt, energia este ascunsă. Rețineți că topirea și vaporizarea sunt procese endotermice prin faptul că absorb sau necesită energie, în timp ce înghețarea și condensarea sunt procese exoterme pe măsură ce eliberează energie.

cantități semnificative de energie sunt implicate în schimbările de fază. Să ne uităm, de exemplu, la cât de multă energie este necesară pentru a topi un kilogram de gheață la 0 centimetric C pentru a produce un kilogram de apă la 0 centimetric C. folosind ecuația pentru o schimbare de temperatură și valoarea pentru apă (334 kJ/kg), constatăm că Q=mLf=(1,0 kg)(334kj/kg)=334kj este energia pentru a topi un kilogram de gheață. Aceasta este o mulțime de energie, deoarece reprezintă aceeași cantitate de energie necesară pentru a ridica temperatura de 1 kg de apă lichidă de la 0 la 79,8. Chiar mai multă energie este necesară pentru a vaporiza apa; ar fi nevoie de 2256 kJ pentru a schimba 1 kg de apă lichidă la punctul normal de fierbere (100 CENTICC la presiune atmosferică) în abur (vapori de apă). Acest exemplu arată că energia pentru o schimbare de fază este enormă în comparație cu energia asociată cu schimbările de temperatură fără o schimbare de fază.

schimbările de fază pot avea un efect stabilizator enorm (vezi figura de mai jos). Luați în considerare adăugarea de căldură la o rată constantă la un eșantion de gheață inițial la -20 CENTICC. Inițial, temperatura gheții crește liniar, absorbind căldura la o rată constantă de 0,50 cal/g centi C până când ajunge la 0 centi c. Odată ajuns la această temperatură, gheața începe să se topească până când întreaga probă s-a topit, absorbind un total de 79,8 cal/g de căldură. Temperatura rămâne constantă la 0 CENTICC în timpul acestei schimbări de fază. Odată ce toată gheața s-a topit, temperatura apei lichide crește, absorbind căldura la o nouă rată constantă de 1,00 cal/g centi C (amintiți-vă că încălzirile specifice depind de fază). La 100 de CENTICCI, apa începe să fiarbă și temperatura rămâne din nou constantă până când apa absoarbe 539 cal/g de căldură pentru a finaliza această schimbare de fază. Când tot lichidul a devenit abur, temperatura crește din nou, absorbind căldura la o rată de 0,482 cal/g C. C.

încălzirea și schimbările de fază ale apei: un grafic al temperaturii față de energia adăugată. Sistemul este construit astfel încât să nu se evapore vapori în timp ce gheața se încălzește pentru a deveni apă lichidă și astfel încât, atunci când are loc vaporizarea, vaporii rămân în sistem. Întinderile lungi de valori constante ale temperaturii la 0 și 100 de CENTICC reflectă căldura latentă mare de topire și, respectiv, vaporizare.

o schimbare de fază pe care am neglijat să o menționăm până acum este sublimarea, tranziția solidului direct în vapori. Cazul opus, în care tranzițiile de vapori direct într-un solid, se numește depunere. Sublimarea are propria căldură latentă Ls și poate fi utilizată în același mod ca Lvand Lf.