Latent värme

den latenta värmen är den energi som är förknippad med en fasförändring av ett ämne.

Latent värme

tidigare har vi diskuterat temperaturförändring på grund av värmeöverföring. Ingen temperaturförändring sker från värmeöverföring om isen smälter och blir flytande vatten (dvs. under en fasförändring). Tänk till exempel på att vatten droppar från istappar som smälter på ett tak som värms av solen. Omvänt fryser vatten i en isbricka som kyls av omgivningar med lägre temperatur.

smältande Istapp: värme från luftöverföringarna till isen som får den att smälta.

energi krävs för att smälta ett fast ämne eftersom de sammanhängande bindningarna mellan molekylerna i det fasta ämnet måste brytas isär så att molekylerna kan röra sig vid jämförbara kinetiska energier; således finns det ingen temperaturökning. På samma sätt behövs energi för att förånga en vätska, eftersom molekyler i en vätska interagerar med varandra via attraktiva krafter. Det finns ingen temperaturförändring förrän en fasförändring är klar. Temperaturen på ett glas limonad initialt vid 0 UCCC stannar vid 0 UCCC tills all is har smält. Omvänt frigörs energi under frysning och kondensation, vanligtvis i form av termisk energi. Arbetet utförs av sammanhängande krafter när molekyler samlas. Motsvarande energi måste avges (spridas) för att de ska kunna hålla sig ihop.

den energi som är involverad i en fasförändring beror på två huvudfaktorer: Antalet och styrkan hos bindningar eller kraftpar. Antalet bindningar är proportionellt mot antalet molekyler och därmed till provets massa. Styrkan av krafter beror på typen av molekyler. Värmen Q som krävs för att ändra fasen av ett prov av massa m ges av

\text{Q}= \ text {mL}_{\text{f}} (smältning eller frysning)

\text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (avdunstning eller kondensering)

där den latenta värmen av fusion, Lf och latent förångningsvärme, Lv, är materialkonstanter som bestäms experimentellt.

fasövergångar: (a) energi krävs för att delvis övervinna de attraktiva krafterna mellan molekyler i ett fast ämne för att bilda en vätska. Samma energi måste tas bort för att frysning ska äga rum. (b) molekyler separeras av stora avstånd när de går från vätska till ånga, vilket kräver betydande energi för att övervinna molekylär attraktion. Samma energi måste tas bort för att kondens ska äga rum. Det finns ingen temperaturförändring förrän en fasförändring är klar.

Latent värme är en intensiv egenskap mätt i enheter av J / kg. Både Lf och Lv beror på ämnet, särskilt på styrkan hos dess molekylära krafter som noterats tidigare. Lf och Lv kallas kollektivt latenta värmekoefficienter. De är latenta eller dolda, för i fasförändringar kommer energi in i eller lämnar ett system utan att orsaka en temperaturförändring i systemet; så i själva verket är energin dold. Observera att smältning och förångning är endoterma processer genom att de absorberar eller kräver energi, medan frysning och kondensation är exoterm process när de släpper ut energi.

betydande mängder energi är involverade i fasförändringar. Låt oss till exempel titta på hur mycket energi som behövs för att smälta ett kilo is vid 0 Kb C för att producera ett kilo vatten vid 0 kg C. Med hjälp av ekvationen för en temperaturförändring och värdet för vatten (334 kJ/kg) finner vi att Q=mLf=(1,0 kg)(334kj/kg)=334kj är energin att smälta ett kilo is. Det här är mycket energi eftersom det representerar samma mängd energi som behövs för att höja temperaturen på 1 kg flytande vatten från 0 OZCC till 79,8 OZCC. Ännu mer energi krävs för att förånga vatten; det skulle ta 2256 kJ för att byta 1 kg flytande vatten vid normal kokpunkt (100 CGC vid atmosfärstryck) till ånga (vattenånga). Detta exempel visar att energin för en fasförändring är enorm jämfört med energi i samband med temperaturförändringar utan fasförändring.

fasförändringar kan ha en enorm stabiliserande effekt (se figur nedan). Överväg att lägga till värme med en konstant hastighet till ett prov av is initialt vid -20 UCC. Initialt stiger isens temperatur linjärt och absorberar värme med en konstant hastighet av 0,50 cal / g C. C. C tills den når 0 C. C. C. En gång vid denna temperatur börjar isen smälta tills hela provet har smält och absorberar totalt 79,8 Kal/g värme. Temperaturen förblir konstant vid 0 UCC under denna fasförändring. När all is har smält stiger temperaturen på det flytande vattnet och absorberar värme med en ny konstant hastighet på 1,00 cal/g c c (kom ihåg att specifika värmer är beroende av fas). Vid 100 CCC börjar vattnet koka och temperaturen förblir konstant tills vattnet absorberar 539 cal/g värme för att slutföra denna fasförändring. När all vätska har blivit ånga stiger temperaturen igen och absorberar värme med en hastighet av 0,482 cal / g C.

uppvärmning och fasförändringar av vatten: en graf över temperatur kontra energi tillsatt. Systemet är konstruerat så att ingen ånga avdunstar medan isen värms för att bli flytande vatten, och så att ångan förblir kvar i systemet när förångning sker. De långa sträckorna av konstanta temperaturvärden vid 0 OZCC och 100 SQCC återspeglar den stora latenta värmen av smältning respektive förångning.

en fasförändring som vi har försummat att nämna hittills är sublimering, övergången av fast ämne direkt till ånga. Det motsatta fallet, där ångövergångar direkt till ett fast ämne, kallas deponering. Sublimering har sin egen latenta värme Ls och kan användas på samma sätt som Lvoch Lf.