Скрытая теплота испарения. Давление насыщенного пара

Скрытая теплота (также известная как скрытая энергия или теплота трансформации ) — это энергия, выделяемая или поглощаемая телом или термодинамической системой во время процесса с постоянной температурой — обычно это фазовый переход первого рода .

Скрытое тепло можно понимать как скрытую энергию, которая подается или извлекается для изменения состояния вещества без изменения его температуры. Примерами являются скрытая теплота плавления и скрытая теплота парообразования, участвующая в фазовых переходах , то есть вещество, конденсирующееся или испаряющееся при определенной температуре и давлении.

Термин был введен около 1762 года британским химиком Джозефом Блэком . Оно образовано от латинского latere ( скрывать ). Блэк использовал этот термин в контексте калориметрии, где теплопередача вызывала изменение объема тела, в то время как его температура оставалась постоянной.

В отличие от скрытого тепла, физическое тепло — это энергия, передаваемая в виде тепла , что приводит к изменению температуры тела.

использование

Термины «явное тепло» и «скрытое тепло» относятся к энергии, передаваемой между телом и его окружением, определяемой возникновением или отсутствием изменения температуры; они зависят от свойств тела. ″ Явное тепло ″ ″ ощущается ″ или ощущается в процессе как изменение температуры тела. «Скрытое тепло» — это энергия, передаваемая в процессе без изменения температуры тела, например, при фазовом переходе (твердое тело / жидкость / газ).

Как явная, так и скрытая теплота наблюдается во многих процессах передачи энергии в природе. Скрытое тепло связано с изменением фазы атмосферной или океанской воды, испарением , конденсацией , замерзанием или таянием , тогда как явное тепло — это передаваемая энергия, которая проявляется в изменении температуры атмосферы, океана или льда без этих фазовых изменений. , хотя это связано с изменениями давления и объема.

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.

Когда тело нагревается до постоянной температуры с помощью теплового излучения в микроволновом поле, например, оно может расширяться на величину, описываемую его скрытой теплотой по отношению к объему или скрытой теплотой расширения , или увеличивать свое давление на величину, описываемую его скрытой <font><font>теплотой. </font><font>тепло по отношению к давлению</font><font> . Скрытое тепло — это энергия, выделяемая или поглощаемая телом или термодинамической системой во время процесса с постоянной температурой. Две распространенные формы скрытой теплоты — это скрытая теплота плавления ( плавление ) и скрытая теплота парообразования ( кипение ). Эти названия описывают направление потока энергии при переходе от одной фазы к другой: от твердой к жидкости и от жидкости к газу. </font></font>

В обоих случаях изменение является эндотермическим , что означает, что система поглощает энергию. Например, когда вода испаряется, молекулам воды требуется энергия, чтобы преодолеть силы притяжения между ними, переход от воды к пару требует ввода энергии.

Если затем пар конденсируется в жидкость на поверхности, тогда 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

В метеорологии , латентный тепловой поток представляет собой поток энергии от поверхности Земли в атмосферу , которая связана с испарением или транспирацией воды на поверхность и последующей конденсацией части паров воды в тропосфере . Это важный компонент баланса энергии поверхности Земли. Скрытый тепловой поток обычно измеряли с помощью метода коэффициента Боуэна или, в последнее время, с середины 1900-х годов, методом вихревой ковариации .

История

Английское слово latent происходит от латинского latēns , что означает лежать скрыто . Термин скрытая теплота был введен в калориметрию примерно в 1750 году, когда Джозеф Блэк , получивший заказ от производителей шотландского виски в поисках идеального количества топлива и воды для процесса дистилляции, изучил системные изменения, такие как объем и давление, когда термодинамическая система выдерживали при постоянной температуре в термальной ванне. Джеймс Прескотт Джоуль охарактеризовал скрытую энергию как энергию взаимодействия в данной конфигурации частиц, т. Е. Форму потенциальной энергии , а явное тепло как энергию, показываемую термометром, связывая последнюю с тепловой энергией .

Удельная скрытая теплота

Удельная скрытая теплота ( L ) выражает количество энергии в виде тепла ( Q ) , необходимого для полного осуществления изменения фазы на единицу массы ( м ), как правило , 1 кг , вещества , как интенсивное свойство :

<math><semantics><mrow><mstyle><mi> L </mi><mo> знак равно </mo><mrow><mfrac><mi> Q </mi><mi> м </mi></mfrac></mrow><mo> . </mo></mstyle></mrow><annotation> { displaystyle L = { frac {Q} {m}}.} </annotation></semantics></math>280px-Heat_of_Vaporization_%28Benzene%2BAcetone%2BMethanol%2BWater%29.png

Когда температура (или давление) повышается до критической точки , скрытая теплота парообразования падает до нуля.

Смотрите также

Рекомендации

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 = mLf (плавление или замораживание) и Q = mLv (испарение или конденсация), где Lf и Lv – 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.

le-drip-23441280702122isrl.jpeg

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 = mLf (плавление или заморозка).

Q = mLv (выпаривание или конденсация).

Здесь Lf – скрытая теплота плавления, a Lv – скрытая теплота испарения.

figure-15-03-02a.jpeg

(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. Lf и Lv 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 = mLf = (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.

figure-15-03-03a.jpeg

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 Ls.

Раздел Физика

Введение

Энергия взаимодействия океана и атмосферы в значительной степени зависит от фазовых переходов между жидкостью, паром и льдом. Условием равновесия двух фаз для системы вода-пар-лед будет равенство их химических потенциалов:

Таким образом, должна существовать функция f(p,T), которая и будет соответствовать равновесному сосуществованию этих фаз. При заданной температуре Т пар и вода будут в равновесии, если давление пара над ровной поверхностью воды имеет значение р,»(Т), называемое давлением насыщенного пара. В случае равновесного фазового перехода, очевидно, энтропия системы, состоящей из жидкости и пара, а также ее объем будет меняться. Пусть единица массы воды с удельным объемом Vi и энтропией тр переходит в пар, имеющий энтропию т|2 и удельный объем V2. Исходя из уравнения Гиббса-Дюгема (3.1.26), равенство химических потенциалов (3.18.1) будет означать, что:

Отсюда следует, что:

При постоянной температуре Т из уравнения (2.4.3) следует, что разность т|2-т|1 = AQ/T. Количество тепла AQ, необходимого для испарения жидкости единичной массы, называется удельной скрытой теплотой испарения (парообразование) и обозначается обычно буквой L. Окончательно выражение (3.18.3) для изменения давления насыщенного пара р* , находящегося в равновесии с жидкостью, будет выглядеть так:

Эго — уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Величина L называется «скрытой» теплотой потому, что при переходе жидкости в пар это тепло от жидкости «отнимается», но не происходит одновременного непосредственного нагрева окружающей воздушной среды. Нагрев может происходить только при обратном фазовом переходе — конденсации водяного пара, и этот процесс может происходить в другое время и в другом месте. Теплоту парообразования при постоянном давлении можно трактовать также как разность энтальпий единицы массы воды в парообразном и жидком состояниях.

В формуле (3.18.4) при исследовании равновесия вода-пар вместо разности удельных объемов можно использовать значение только удельного объема пара, поскольку характерные значения при 0°С v, = 10′3 м3-кг-1, a v2 = 206 м3 кг ‘. Но поскольку уравнение Клаузиуса- Клапейрона имеет универсальный характер и применимо для других фазовых переходов (лед-пар и вода-лед), в последнем случае разница удельных объемов составляет величину порядка 10-5м3-кг1 и градиент dp/dT на несколько порядков больше, чем при переходе вода-пар.

Зная величину р*о для одной из температур Т и соответствующую удельную теплоту парообразования Lo, можно выразить значения давления насыщенного пара при любой другой температуре. Интегрируя уравнение Клаузиуса-Клапейрона и выражая удельный объем пара vv в соответствии с уравнением состояния идеального газа vv= R,,T/p, получим следующую зависимость давления насыщенного пара от температуры (Ro — универсальная газовая постоянная):

Более точные зависимости давления насыщенного пара от температуры приводятся, например, в «Океанологических таблицах», табл.5.39 [1974], а также в специальных психрометрических таблицах. Аналогичным образом можно представить и давление насыщенного пара надо льдом, в этом случае вместо теплоты испарения L используют L’ так называемую теплоту сублимации или возгонки L’, первая величина при 0°С равна 2,50-Ю6 Дж-кг1, а вторая несколько больше — 2,83-106 Дж-кг-1 [Доронин, 1978]. Для сравнения напомним, что удельная теплота плавления пресного льда L,, представляющая разность энтальпий жидкой и твердой фазы, составляет 0,335-106 Дж-кг1. Для фазового перехода вода-лед уравнение (3.18.4) также можно проинтегрировать и, с учетом малых изменений удельных объемов воды vw и льда V; вблизи температуры замерзания получить следующую зависимость [Доронин, 1978]:

До сих пор все рассуждения в этом параграфе не рассматривали влияния солености на равновесие фаз. В формуле (3.18.1) при рассмотрении равенства химических потенциалов необходимо учесть зависимость ц- |V(p,T,S). В соответствии с законом Рауля, давление насыщенного пара растворителя у разбавленных идеальных растворов пропорционально относительной доли растворителя (чистой воды) в этом растворе и давлению пара растворителя без примеси. Морская вода не является идеальным раствором и парциальное давление насыщенного пара над нею несколько меньше того, которое следует из закона Рауля. Тем не менее, может быть построена простая эмпирическая зависимость pw(S)=rf(pw(0),S), в соответствии с работой [Fofonoff, 1962] она выглядит так (S — практическая соленость, епс):

Понижение давления насыщенного пара над морской водой по сравнению с пресной невелико — менее 2% д ля океанического диапазона солености.

Все возможные фазовые переходы в системе вода-лсд-пар представлены на диаграмме фазовых состояний пресной воды и морской воды при солености 35 единиц как функции температуры и

Рис. 3.18.1. Диаграмма фазовых состояний. Сплошные линиипресная вода, пунктирные — соленость 35 епс.

давления насыщения (рис. 3.18.1). Кривые на этом рисунке соответствуют линиям раздела фаз, при температурах ниже

температуры замерзания давление насыщающего пара над водой и льдом различаются лишь

незначительно. Обращает на себя внимание почти вертикальная линия раздела между водой и льдом и существование точки пересечения

кривых вблизи

температуры замерзания воды, в которой могут сосуществовать в

равновесии все три фазы. Ога точка называется тройной, для пресной воды она соответствует 0,0 ГС, для соленой воды ее температура также выше температуры замерзания примерно на такую же величину.

Скрытая теплота испарения для всего диапазона температур может быть получена по давлению насыщенного пара. Зависимость L=f(Lo>pw,T) следует из уравнения (3.18.4). Зная величину давления насыщенного пара для одной из температур, можно выразить величину L(t) для пресной воды как функцию одной температуры. Наиболее точная эмпирическая формула приводится в работе [Siedler, Peters, 1986|:

где Т — температура,°С, удельная теплота парообразования выражена в Дж-кг’1. Если рассчитать производную 3L/5S исходя из приближенных уравнений (3.18.4) и (3.18.7) и производной для химического потенциала Зр/dS [Fofonoff, 1962J, то можно получить зависимость удельной теплоты парообразования от концентрации солей. Для морской воды при при океанической солености значение L должно отличаться в меньшую сторону от величины для пресной воды не более чем на З-Ю3 Дж-кг’1 или 0,12% [Siedler, Peters, 1986], и в реальных расчетах поправка на соленость не вводится. Зависимость ЦТ) практически линейно уменьшается от 2,50 МДж-кг1 при 0 °С до 2,43 М Дж-кг’1 при 30 °С.

В заключение этого параграфа приведем также упрощеннную формулу для расчета скрытой теплоты сублимации L’ в Дж-кг1 [Гилл,

1986|:

При температуре 0 °С удельная теплота сублимации на 13% выше, чем теплота испарения.

Всем известно, что вода в чайнике закипает при температуре 100 ˚С. Но обращали ли вы внимание, что температура воды в процессе кипения не меняется? Вопрос – куда девается образующаяся энергия, если мы постоянно держим емкость на огне? Она уходит на преобразование жидкости в пар. Таким образом, для перехода воды в газообразное состояние требуется постоянное поступление теплоты. То, сколько ее нужно для преобразования килограмма жидкости в пар такой же температуры, определяется физической величиной, которая называется удельная теплота парообразования воды.

Физический смысл величины

Для кипения требуется энергия. Большая ее часть используется для разрыва химических связей между атомами и молекулами, в результате чего образуются пузырьки пара, а меньшая идет на расширение пара, то есть на то, чтобы образовавшиеся пузырьки могли лопнуть и выпустить его. Так как жидкость всю энергию вкладывает в переход в газообразное состояние, ее «силы» иссякают. Для постоянного возобновления энергии и продления кипения нужно подводить к емкости с жидкостью все новое и новое тепло. Обеспечить его приток может кипятильник, газовая горелка либо любой другой нагревательный прибор. Во время кипения температура жидкости не растет, идет процесс образования пара такой же температуры.

Разным жидкостям требуется разное количество теплоты для перехода в пар. Какое именно – показывает удельная теплота парообразования.

Понять, как определяется эта величина, можно из примера. Берем 1 л воды и доводим ее до кипения. Затем замеряем количество тепла, понадобившегося для выпаривания всей жидкости, и получаем значение удельной теплоты парообразования для воды. Для других химических соединений этот показатель будет другим.

Читайте также:  Что вы знаете о температуре кипения воды?

В физике удельная теплота парообразования обозначается латинской буквой L. Измеряется она в джоулях на килограмм (Дж/кг). Вывести ее можно путем деления теплоты, израсходованной на испарение, на массу жидкости:

L =Q/m.

Данная величина очень важна для производственных процессов на основе современных технологий. Например, на нее ориентируются при производстве металлов. Оказалось, что если железо расплавить, а потом сконденсировать, при дальнейшем затвердении образуется более прочная кристаллическая решетка.

Чему равна

Значение удельной теплоты для различных веществ (r) определили в ходе лабораторных исследований. Вода при нормальном атмосферном давлении закипает при 100 °C, а теплота испарения воды составляет 2258,2 кДж/кг. Данный показатель для некоторых других веществ приведен в таблице:

Вещество t кипения, °C r, кДж/кг
Азот -196 198
Гелий -268,94 20,6
Водород -253 454
Кислород -183 213
Углерод 4350 50000
Фосфор 280 400
Метан -162 510
Пентан 36 360
Железо 2735 6340
Медь 2590 4790
Олово 2430 2450
Свинец 1750 8600
Цинк 907 1755
Ртуть 357 285
Золото 2 700 1 650
Этиловый спирт 78 840
Метиловый спирт 65 1100
Хлороформ 61 279

Однако этот показатель может изменяться под действием определенных факторов:

  1. Температура. При ее повышении теплота испарения уменьшается и может быть равной нулю.
    t, °C r, кДж/кг
    2500
    10 2477
    20 2453
    50 2380
    80 2308
    100 2258
    200 1940
    300 1405
    374 115
    374,15
  2. Давление. С понижением давления теплота парообразования растет, и наоборот. Температура кипения же прямо пропорциональна давлению и может достигать критического значения 374 °C.
    p, Па t кип., °C r, кДж/кг
    0,0123 10 2477
    0,1234 50 2380
    1 100 2258
    2 120 2202
    5 152 2014
    10 180 1889
    20 112 1638
    50 264 1638
    100 311 1316
    200 366 585
    220 373,7 184,8
    Критическое 221,29 374,15
  3. Масса вещества. Количество задействованной в процессе теплоты прямо пропорционально массе образовавшегося пара.

Соотношение испарения и конденсации

Физики выяснили, что на обратный испарению процесс – конденсацию – пар тратит ровно столько же энергии, сколько пошло на его образование. Это наблюдение подтверждает закон сохранения энергии.

В противном случае было бы возможно создание установки, в которой жидкость испарялась бы, а потом конденсировалась. Разница между теплотой, необходимой для испарения, и теплотой, достаточной для конденсации, приводила бы к накоплению энергии, которая могла бы быть использована для других целей. По сути, был бы создан вечный двигатель. Но это противоречит физическим законам, а значит, невозможно.

Как измеряется

  1. Удельная теплота испарения воды измеряется в физических лабораториях экспериментальным путем. Для этого используют калориметры. Процедура выглядит следующим образом:
  2. Определенное количество жидкости заливают в калориметр.
  3. Измеряют температуру воды.
  4. В калориметр осторожно пропускают пар исследуемого вещества из кипятильника (колба, подогреваемая снизу горелкой). Чтобы в прибор не попали капельки жидкости, используют сухопарник, в котором они собираются.
  5. Повторно измеряют температуру воды.
  6. Для вычисления массы сконденсированного пара калориметр периодически взвешивают.

Удельная теплота парообразования: Видео


Используемые источники:

  • https://ru.qaz.wiki/wiki/latent_heat
  • https://v-kosmose.com/fizika/skryitaya-teplota/
  • https://studme.org/205520/geografiya/skrytaya_teplota_ispareniya_davlenie_nasyschennogo_para
  • https://vseowode.ru/prosto-o-vode/udelnaya-teplota-paroobrazovaniya.html