Скрытая теплота

Физика > Скрытая теплота

Скрытая теплота – энергия, связанная с переменой состояния вещества.

Задача обучения

• Рассмотреть скрытую теплоту как форму энергии.

Основные пункты

• Энергия нужна для изменения состояния вещества (например, для разрыва связей между молекулами во льде, чтобы он расплавился).
• Во время изменения состояния энергию могут добавить или отнять, но температура останется стабильной (меняется лишь в самом конце).
• Тепло, необходимое для изменения фазы: Q = mL_f (плавление или замораживание) и Q = mL_v (испарение или конденсация), где L_f и L_v – скрытое тепло плавления и испарения.

Термины

• Сублимация – переход вещества из твердого состояния в парообразное, минуя жидкий этап.
• Скрытая теплота испарения – энергия, которая нужна для перехода из жидкости в пар.
• Скрытая теплота плавления – энергия, которая нужна для перехода из твердого состояния в жидкость.

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.

Перемены состояния могут обладать стабилизирующим эффектом. Добавим тепло в лед с температурой -20°C. Сначала температура поднимается линейно, поглощая тепло со стабильной скоростью 0.50 кал/г⋅C до достижения нуля. Здесь лед начнет таять и на финальной стадии поглотит 79.8 кал/г тепла. Как только процесс плавления закончится, температура воды повысится, поглощая тепло при новой постоянной скорости 1.00 кал/г·С. При температуре 100°C запускается кипение, а температурный показатель снова стабилен, пока вода не поглотит 539 кал/г тепла. Когда вся жидкость превращается в пар, температура снова поднимается, поглощая тепло со скоростью 0.482 кал/г⋅С.

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.

---