Что такое скрытая теплота плавления

Скрытая теплота

Скрытая теплота – энергия, связанная с переменой состояния вещества.

Задача обучения

Основные пункты

Термины

Скрытая теплота

Давайте рассмотрим воду, стекающую с сосулек, плавящихся на крыше под солнечным светом. А также воду, замерзающую в поддоне.

Тепло от воздуха передается льду, что приводит к таянию

Чтобы твердое вещество расплавилось, понадобится определенное количество энергии. Ей придется раздробить связанные молекулы, чтобы обеспечить им перемещение. Также потребуется энергия для испарения. Когда меняется состояние, температура остается той же. Энергия выделяется в виде тепловой, а работа выполняется суммой сил при объединении молекул.

Энергия зависит от двух факторов: количества и силы связей. Число связей выступает пропорциональным количеству молекул, а значит массе. Сила основывается на типе молекул. Теплота вычисляется по формуле:

Q = mL_f (плавление или заморозка).

Q = mL_v (выпаривание или конденсация).

Здесь L_f – скрытая теплота плавления, a L_v – скрытая теплота испарения.

(а) – Энергия расходуется на частичное преодоление сил притяжения между молекулами в твердом теле с трансформацией в жидкость. Она удалится в процесс заморозки. (b) – Молекулы разделены большими дистанциями при переходе от жидкости к пару, поэтому понадобится много энергии, чтобы побороть молекулярное притяжение. Когда меняется состояние, температурный показатель остается прежним

Скрытая теплота – интенсивное свойство, выраженное в Дж/кг. L_f и L_v зависят от вещества, особенно от молекулярных сил. Это коэффициенты скрытого тепла. При перемене состояния энергия поступает и удаляется, не вызывая изменения в температуре, поэтому считается скрытой. Плавление и испарение выступают эндотермическими процессами, потому что поглощают энергию, а замораживание и конденсация – экзотермические, так как выделяют ее.

Энергия связана с изменением состояния. Допустим нам нужно расплавить килограмм льда, чтобы получить килограмм воды при 0°C. Возьмем уравнение для изменения температуры и значения для воды (334 кДж/кг) и получим Q = mL_f = (1.0 кг)(334 кДж/кг) = 334 кДж. Это то количество энергии, которую нужно потратить на плавление воды. Для испарения понадобится еще больше энергии. 1 кг воды перейдет в пар при 2256 кДж.

Этот график показывает, как температура зависит от энергии. Здесь пар не испаряется, пока не нагреется лед, чтобы стать жидкой водой. Длинные отрезки стабильных показателей температуры при 0°C и 100°C отражают значительное скрытое тепло плавления и испарения

Обсуждаемый переход состояний – сублимация (из твердого вещества в пар). Есть также и обратный процесс – осаждение. У сублимации есть собственное скрытое тепло L_s.

Источник

Скрытое тепло: плавление, испарение, затвердевание, конденсация

Содержание:

В скрытая теплота Он не ощущается, поскольку представляет собой тепловую энергию, которая выделяется или поглощается во время фазового перехода без увеличения или уменьшения температуры термодинамической системы. Есть несколько типов скрытого тепла, которые регулируются фазовыми изменениями вещества.

Эти эффекты присутствуют в любом процессе, даже в тех, которые происходят при постоянной температуре. Затем наблюдаются два типа тепла, которое может передаваться телу или веществу и окружающей его среде во время процесса, которые регулируются индивидуальными свойствами задействованного вещества: чувствительный и жара скрытый.

Скрытая теплота плавления

Температура, при которой происходит этот переход, называется температурой плавления, а давление принимается равным 1 атм или 101 325 кПа, в зависимости от системы, с которой работает.

Благодаря разнице в межмолекулярных силах молекулы в жидкой фазе имеют более высокую внутреннюю энергию, чем в твердой фазе, поэтому твердым телам требуется положительная энергия (поглощение тепла), чтобы расплавить их и достичь жидкости, в то время как жидкости должны выпустить тепло, чтобы заморозить (затвердеть).

Это изменение энтальпии может быть применено к любому количеству вещества, которое достигает плавления, независимо от того, насколько оно мало, и представляет собой постоянное значение (то же количество энергии), которое выражается в единицах кДж / кг, когда желательно ссылаться на единицы теста.

Это всегда положительная величина, за исключением гелия, который означает, что гелий замерзает при поглощении тепла. Значение скрытой теплоты плавления для воды составляет 333,55 кДж / кг.

Скрытая теплота испарения

Также называется энтальпией испарения, это количество энергии, которое необходимо добавить к веществу в жидкой фазе, чтобы оно перешло в газовую фазу. Это значение является функцией давления, при котором происходит преобразование.

Обычно это связано с нормальной температурой кипения вещества, то есть с температурой кипения, которая имеет место, когда давление пара жидкости равно атмосферному давлению на уровне моря (1 атм).

Теплота испарения зависит от температуры, хотя можно предположить, что она остается постоянной в небольших диапазонах температур и при температурах намного меньше единицы.

Кроме того, важно отметить, что теплота испарения уменьшается при высоких температурах, пока не достигнет так называемой критической температуры вещества, при которой они совпадают. За пределами критической температуры паровая и жидкая фазы становятся неразличимыми, и вещество переходит в сверхкритическое жидкое состояние.

Математически это выражается как увеличение энергии в паровой фазе по сравнению с энергией в жидкой фазе, плюс работа, которая должна быть произведена против атмосферного давления.

Первый член (увеличение энергии) будет энергией, которая потребуется для преодоления межмолекулярных взаимодействий, существующих в жидкости, где вещества с более высокими силами между связями (например, вода) будут иметь более высокие скрытые теплоты испарения (2257 кДж / кг. ), чем те, у которых усилие между звеньями меньше (21 кДж / кг).

Скрытая теплота затвердевания

Таким образом, в термодинамической системе можно сказать, что скрытая теплота затвердевания противоположна теплу плавления, поскольку соответствующая энергия выделяется наружу, когда происходит фазовый переход.

Скрытая теплота конденсации

Что касается энергии каждой молекулы, то в газах она даже выше, чем в жидкостях, поэтому также происходит выделение энергии при переходе от первой фазы ко второй.

При более высоких температурах теплота конденсации уменьшается, а температура кипения повышается.

Источник

Энтальпия плавления

Жидкая фаза имеет более высокую внутреннюю энергию, чем твердая фаза. Это означает, что энергия должна подаваться к твердому телу, чтобы расплавить его, и энергия выделяется из жидкости, когда она замерзает, потому что молекулы в жидкости испытывают более слабые межмолекулярные силы и, следовательно, имеют более высокую потенциальную энергию (своего рода энергия диссоциации для межмолекулярных сил).

Когда жидкая вода охлаждается, ее температура постоянно падает, пока не упадет чуть ниже линии точки замерзания при 0 ° C. Затем температура остается постоянной на уровне точки замерзания, пока вода кристаллизуется. Как только вода полностью замерзнет, ​​ее температура продолжает падать.

A) Для нагрева 1 кг (1 литра) жидкой воды до 20 ° C требуется 83,6 кДж (см. Ниже). Однако нагрев льда с 0 ° C на 20 ° C (таяние, затем нагревание) требует дополнительной энергии для таяния льда. Мы можем рассматривать эти два процесса независимо; Таким образом, для нагрева 1 кг льда с 273,15 K до воды с температурой 293,15 K (от 0 ° C до 20 ° C) требуется:

(1) 333,55 Дж / г (теплота плавления льда) = 333,55 кДж / кг = 333,55 кДж на 1 кг льда для плавления. PLUS (2) 4,18 Дж / (г · К) × 20 К = 4,18 кДж / (кг · К) × 20 К = 83,6 кДж на 1 кг воды для повышения температуры на 20 К. = 417,15 кДж

Из этих рисунков видно, что одна часть льда при 0 ° C охлаждает почти ровно 4 части воды с 20 ° C до 0 ° C.

Б) Кремний имеет теплоту плавления 50,21 кДж / моль. 50 кВт мощности могут обеспечить энергию, необходимую для плавления около 100 кг кремния за один час, после того, как он будет доведен до температуры плавления:

50 кВт = 50 кДж / с = 180 000 кДж / ч

180 000 кДж / ч * (1 моль Si) / 50,21 кДж * 28 г Si / (моль Si) * 1 кг Si / 1 000 г Si = 100,4 кг / ч

Теплота плавления также может использоваться для прогнозирования растворимости твердых веществ в жидкостях. Обеспечил идеальное решение получается на мольную долю ( Икс 2 ) <\ displaystyle (x_ <2>)> растворенного вещества при насыщении зависит от теплоты плавления, температуры плавления твердого вещества. ( Т ж ты s ) <\ Displaystyle (Т _ <\ mathit >)> и температура (T) раствора:

Это соответствует растворимости в граммах на литр:

Доказательство

При равновесных в химических потенциалах для чистого растворителя и чистого твердого вещества идентичны:

теплота плавления представляет собой разность химических потенциалов между чистой жидкостью и чистым твердым телом, отсюда следует, что

в конечном итоге дает:

( ∂ ( пер ⁡ Икс 2 ) ∂ Т ) знак равно Δ ЧАС ж ты s ∘ р Т 2 <\ displaystyle \ left (<\ frac <\ partial (\ ln X_ <2>)> <\ partial T>> \ right) = <\ frac <\ Delta H _ <\ mathit > ^ <\ circ>> >>>

конечный результат получается:

Источник

Энтальпия плавления

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор [ править ]

Жидкая фаза имеет более высокую внутреннюю энергию, чем твердая фаза. Это означает, что энергия должна подаваться к твердому телу, чтобы расплавить его, и энергия выделяется из жидкости, когда она замерзает, потому что молекулы в жидкости испытывают более слабые межмолекулярные силы и, следовательно, имеют более высокую потенциальную энергию (своего рода энергия диссоциации для межмолекулярных сил).

Когда жидкая вода охлаждается, ее температура постоянно падает, пока не упадет чуть ниже линии точки замерзания при 0 ° C. Затем температура остается постоянной на уровне точки замерзания, пока вода кристаллизуется. Как только вода полностью замерзнет, ​​ее температура продолжает падать.

Примеры [ править ]

A) Для нагрева 1 кг (1 литра) жидкой воды до 20 ° C требуется 83,6 кДж (см. Ниже). Однако нагрев льда с 0 ° C на 20 ° C (таяние, затем нагревание) требует дополнительной энергии для таяния льда. Мы можем рассматривать эти два процесса независимо; таким образом, чтобы нагреть 1 кг льда с 273,15 K до воды с температурой 293,15 K (от 0 ° C до 20 ° C), необходимо:

(1) 333,55 Дж / г (теплота плавления льда) = 333,55 кДж / кг = 333,55 кДж на 1 кг льда для плавления. PLUS (2) 4,18 Дж / (г · К) × 20 К = 4,18 кДж / (кг · К) × 20 К = 83,6 кДж на 1 кг воды для повышения температуры на 20 К. = 417,15 кДж

Из этих рисунков видно, что одна часть льда при 0 ° C охлаждает почти ровно 4 части воды с 20 ° C до 0 ° C.

Б) Кремний имеет теплоту плавления 50,21 кДж / моль. 50 кВт мощности могут обеспечить энергию, необходимую для плавления около 100 кг кремния за один час, после того, как он будет доведен до температуры плавления:

50 кВт = 50 кДж / с = 180 000 кДж / ч

180 000 кДж / ч * (1 моль Si) / 50,21 кДж * 28 г Si / (моль Si) * 1 кг Si / 1 000 г Si = 100,4 кг / ч

Прогноз растворимости [ править ]

Теплота плавления также может использоваться для прогнозирования растворимости твердых веществ в жидкостях. При условии сохранения идеальное решение получается в мольную долю растворенного вещества при насыщении является функцией теплоты плавления, с температурой плавления твердого вещества и температуры (T) раствора: ( Икс 2 ) <\ displaystyle (x_ <2>)> ( Т ж ты s ) <\ Displaystyle (Т _ <\ mathit >)>

Это соответствует растворимости в граммах на литр:

Доказательство [ править ]

При равновесных в химических потенциалах для чистого растворителя и чистого твердого вещества идентичны:

Δ G f u s ∘ = μ l i q u i d ∘ − μ s o l i d ∘ <\displaystyle \Delta G_<\mathit >^<\circ >=\mu _^<\circ >-\mu _^<\circ >\,>

теплота плавления представляет собой разность химических потенциалов между чистой жидкостью и чистым твердым телом, отсюда следует, что

R T ln ⁡ X 2 = − ( Δ G f u s ∘ ) <\displaystyle RT\ln X_<2>=-(\Delta G_<\mathit >^<\circ >)\,>

Применение уравнения Гиббса – Гельмгольца :

( ∂ ( Δ G f u s ∘ T ) ∂ T ) p = − Δ H f u s ∘ T 2 <\displaystyle \left(<\frac <\partial (<\frac <\Delta G_<\mathit >^<\circ >>>)><\partial T>>\right)_=-<\frac <\Delta H_<\mathit >^<\circ >>>>>

в конечном итоге дает:

( ∂ ( ln ⁡ X 2 ) ∂ T ) = Δ H f u s ∘ R T 2 <\displaystyle \left(<\frac <\partial (\ln X_<2>)><\partial T>>\right)=<\frac <\Delta H_<\mathit >^<\circ >>>>>

∂ ln ⁡ X 2 = Δ H f u s ∘ R T 2 ∗ δ T <\displaystyle \partial \ln X_<2>=<\frac <\Delta H_<\mathit >^<\circ >>>>*\delta T>

∫ X 2 = 1 X 2 = x 2 δ ln ⁡ X 2 = ln ⁡ x 2 = ∫ T f u s T Δ H f u s ∘ R T 2 ∗ Δ T <\displaystyle \int _=1>^=x_<2>>\delta \ln X_<2>=\ln x_<2>=\int _>>^<\frac <\Delta H_<\mathit >^<\circ >>>>*\Delta T>

конечный результат получается:

ln ⁡ x 2 = − Δ H f u s ∘ R ( 1 T − 1 T f u s ) <\displaystyle \ln x_<2>=-<\frac <\Delta H_<\mathit >^<\circ >>>\left(<\frac <1>>-<\frac <1>>>>\right)>

Источник

Скрытая теплота

Содержание

Использование [ править ]

Первоначальное использование этого термина, введенное Блэком, применялось к системам, которые намеренно поддерживались при постоянной температуре. Такое использование относится к скрытой теплоте расширения и нескольким другим связанным скрытым теплотам. Эти скрытые теплоты определяются независимо от концептуальной основы термодинамики. [3]

Если затем пар конденсируется в жидкость на поверхности, то скрытая энергия пара, поглощенная во время испарения, высвобождается в виде явного тепла жидкости на поверхность.

Большое значение энтальпии конденсации водяного пара является причиной того, что пар является гораздо более эффективным теплоносителем, чем кипящая вода, и более опасен.

Метеорология [ править ]

История [ править ]

Удельная скрытая теплота [ править ]

Исходя из этого определения, скрытая теплота для данной массы вещества рассчитывается по формуле

Таблица удельной скрытой теплоты [ править ]

В следующей таблице показаны удельная скрытая теплота и изменение температур фаз (при стандартном давлении) некоторых распространенных жидкостей и газов. [ необходима цитата ]

Удельная скрытая теплота конденсации воды в облаках [ править ]

Удельная скрытая теплота конденсации воды в диапазоне температур от −25 ° C до 40 ° C аппроксимируется следующей эмпирической кубической функцией:

<\text>,> [11]

<\text>.> [11]

Изменение температуры (или давления) [ править ]

Источник