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.
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.
(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.
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.
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Скрытая теплота — плавление — льд
Скрытая теплота плавления льда ( р) при 0 С равна 333 14 дж / г: Удельные объемы при этой температуре для воды ( t2) — 1 0001 см3 / г и льда ( vi) — 1 0908 см3 / г. Найти давление, при котором температура плавления льда изменится на 1 и изменение температуры плавления при изменении давления на 1 атм. [1]
Скрытая теплота плавления льда равна 80 кал / г-атом. [2]
Измерение скрытой теплоты плавления льда по второму методу ( методу смешения) вполне надежно. Блек нагрел массу воды mi и стеклянный сосуд массы т2 ( в нем находилась вода) до температуры С. Далее Блек ввел в воду массу льда т3 при температуре его плавления, 0 С. [3]
Так как скрытая теплота плавления льда равна 79 63 кал, то полное количество тепла, поглощенное льдом, было 220 — 79 63 17518 кал. Полное количество теплоты, освободившееся при растворении кислоты, было, как это можно видеть, интерполируя значения, данные в табл. 3 — 1, равно 16640 кал. [5]
Понижение температуры происходит вследствие того, что скрытая теплота плавления льда приблизительно равна количеству теплоты, освобождающемуся при растворении серной кислоты. Лед, свободный от воды, можно прибавлять к кислоте непосредственно. В одном из опытов 220 г льда были прибавлены к 98 г концентрированной кислоты при комнатной температуре. [6]
Если принять во внимание удельную теплоемкость и тот факт, что скрытая теплота плавления льда составляет 80 кал на 1 г, то можно вычислить количество воды, замерзшей при — 20 С. Это количество воды затем вычитается из общей воды, давая количество связанной воды. [8]
Совпадение значения, полученного по методу смешения, с современным значением скрытой теплоты плавления льда является уже вполне реальным. [9]
Блек, а вслед за ним и другие исследователи, использовали открытие скрытой теплоты плавления льда для разработки способа измерения количества теплоты. Если тело отдает теплоту льду, находящемуся при температуре его плавления, то количество отданной теплоты прямо пропорционально массе растаявшего льда. [10]
Тп — температура дневной поверхности грунта; гиз — термическое сопротивление теплоизоляции; Qj, — скрытая теплота плавления льда в единице объема мерзлого грунта; — криволинейная координата вдоль линии тока тепла. [11]
Детальный анализ задачи о скольжении конькобежца по льду в морозную погоду должен проводиться с учетом важного механизма теплопередачи от замерзающей воды к полозьям коньков, так как при замерзании воды при атмосферном давлении ее температура повышается до 0СС и тепло ( скрытая теплота плавления льда ) передается стальным полозьям коньков, сравнительно хорошо проводящим тепло. [12]
Заслуживает внимания и подлежит изучению существующий способ снижения температуры ствола скважины, предусматривающий подачу льда непосредственно в поток циркулирующей промывочной жидкости. В этом случае увеличивается интенсивность охлаждения наиболее опасного из-за высоких температур нижнего участка ствола скважины, причем эффект охлаждения обусловлен, главным образом, скрытой теплотой плавления льда . [14]
Пусть это тепло создается за счет таяния льда; тогда скорость таяния должна составлять m Q / K Р / т Х кг / с, где К — скрытая теплота плавления льда . [15]
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Скрытая теплота — плавление — льд
По абсолютному значению дифференциальная теплота разбавления раствора тем меньше, чем меньше его концентрация; в достаточно разбавленных растворах она практически равна нулю. В более концентрированных растворах эта теплота хотя и отлична от нуля, однако по абсолютному значению в большинстве случаев значительно меньше скрытой теплоты плавления растворителя. Например, скрытая теплота плавления льда при 0 С равна 5999 Дж / моль, тогда как дифференциальная теплота растворения воды в насыщенном водном растворе хлорида натрия составляет только 48 Дж / моль при 25 & С, в водном растворе хлороводорода ( 222 моль / 1 кг Н20) — 68 5 Дж / моль при 25 С и в растворе серной кислоты ( 2 92 моль / 1 кг ШО) — 183 5 Дж / моль при 18 С. [16]
В достаточно разбавленных растворах дифференциальная теплота разбавления практически равна нулю. В более концентрированных растворах величина H — Hf, хотя и отлична от нуля, однако по абсолютному значению в большинстве случаев значительно меньше скрытой теплоты плавления растворителя. Так, например, скрытая теплота плавления льда при 0 С равна 1433 кал мол. [17]
Ввиду симметрии показана только половина температурного поля ниже срединной плоскости залежи льда. Для оценки значимости вертикальных перетоков тепла теплоизоляция была принята идеальной. Значения теплофизи-ческих параметров породы таковы: скрытая теплота плавления льда в расчете на единицу объема равна 16 000 кДж / м3 теплоемкость и теплопроводность в мерзлом и талом состоянии — 1892 5 кДж / ( м3 — К), 1 86Вт / ( м — К) и 2855 кДж / ( м3 — К), 1 4 Вт / ( м — К) соответственно. [18]
Следовательно, зная температуру, при которой упругость диссоциации гидрата достигает 1 атм. Она колеблется для различных газов от 6.9 до 8.5 ккал. Разница между этими двумя тепловыми эффектами, деленная на скрытую теплоту плавления льда , должна дать число молекул воды, приходящихся на 1 мол. Таким путем Форкран вычислил формулу для всех известных гидратов, причем нашел, что на 1 мол. Действительно, ему удалось для многих гидратов экспериментально установить эту формулу, применив очень тонкий и остроумный метод анализа. В недавней сводке по гидратам газов, относящейся к 1926 г., Шредер [3] отметил, что предположение Вийяра блестяще оправдалось, так как почти для всех гидратов газов удалось доказать, что они имеют 6 мол. [19]
Амонтон, Фаренгейт, Реомюр, Цельсий и другие ученые закладывают прочные научные основы термометрии, а Крафт и Рихман — калориметрии. Блэк и Вильке, опираясь на работы Рихмана, открывают скрытую теплоту плавления льда , проводят первые экспериментальные исследования по определению теплоемкостей тел. Наряду с этим накапливались ценные наблюдения и по практическому использованию силы пара, которые несколько позднее привели к созданию паровой машины. [20]
Эти разрушения наиболее интенсивно происходят в весенний период при частом оттаивании и замерзании верхних слоев покрытия, при нагревании солнечными лучами днем и охлаждении ночью. Шелушение происходит тем интенсивнее, чем большее в районе дороги число переходов температуры через ноль, а также чем пористее и слабее материал покрытия. Шелушение объясняется также воздействием соли, применяемой для борьбы с гололедом. Особенно это имеет значение для цементобетонных покрытий из некачественного пористого бетона. Применение солей для такого покрытия усиливает шелушение не непосредственным воздействием на бетон покрытия, а главным образом косвенно, так как вызывает повышенное число циклов замерзания и оттаивания бетона покрытия. Соль способствует выделению скрытой теплоты плавления льда на покрытии, в результате оно оттаивает, а затем снова замерзает. Для прекращения шелушения необходимо снизить пористость верхней части покрытия в летний период, разливая на его поверхности битум и затем рассыпая минеральный материал. [21]
Источник
Энтальпия плавления — Enthalpy of fusion
Энтальпия плавления вещества, также известный как (скрытая) теплота плавления является изменение ее энтальпии в результате предоставления энергии , как правило , тепло, к определенному количеству вещества , чтобы изменить свое состояние из твердого в жидкое, в постоянное давление. Например, при плавлении 1 кг льда (при 0 ° C и широком диапазоне давлений ) 333,55 кДж энергии поглощается без изменения температуры. Теплота затвердевания (когда вещество переходит из жидкого в твердое вещество), равна и противоположна.
Эта энергия включает вклад, необходимый для того, чтобы освободить место для любого связанного изменения объема за счет смещения окружающей среды против давления окружающей среды. Температура, при которой происходит фазовый переход, — это точка плавления или точка замерзания, в зависимости от контекста. Условно предполагается, что давление составляет 1 атм (101,325 кПа), если не указано иное.
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор
«Энтальпия» плавления — это скрытая теплота , потому что во время плавления тепловая энергия, необходимая для преобразования вещества из твердого в жидкое при атмосферном давлении, является скрытой теплотой плавления, поскольку температура остается постоянной во время процесса. Скрытая теплота плавления — это изменение энтальпии любого количества вещества при его плавлении. Когда теплота плавления относится к единице массы, ее обычно называют удельной теплотой плавления , в то время как молярная теплота плавления относится к изменению энтальпии на количество вещества в молях .
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 связи 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.
Энтальпия плавления почти всегда положительная величина; гелий — единственное известное исключение. Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень немного отрицательную энтальпию плавления ниже 0,77 К (-272,380 ° C). Это означает, что при соответствующем постоянном давлении эти вещества замерзают с добавлением тепла. В случае 4 He этот диапазон давления составляет от 24,992 до 25,00 атм (2533 кПа).
| Вещество | Теплота плавления | |
|---|---|---|
| (кал / г) | (Дж / г) | |
| воды | 79,72 | 333,55 |
| метан | 13,96 | 58,99 |
| пропан | 19.11 | 79,96 |
| глицерин | 47,95 | 200,62 |
| Муравьиная кислота | 66,05 | 276,35 |
| уксусная кислота | 45,90 | 192,09 |
| ацетон | 23,42 | 97,99 |
| бензол | 30,45 | 127,40 |
| миристиновая кислота | 47,49 | 198,70 |
| пальмитиновая кислота | 39,18 | 163,93 |
| ацетат натрия | 63–69 | 264–289 |
| стеариновая кислота | 47,54 | 198,91 |
| галлий | 19,2 | 80,4 |
| парафиновый воск (C 25 H 52 ) | 47,8-52,6 | 200–220 |
Эти значения в основном взяты из 62-го издания CRC Handbook of Chemistry and Physics . При преобразовании калорий / г в Дж / г в приведенной выше таблице используется термохимическая калория (кал. Th ) = 4,184 джоуля, а не калорийность по Международной таблице паров (cal INT ) = 4,1868 джоулей.
Примеры
A) Для нагрева 1 кг жидкой воды от 0 ° C до 20 ° C требуется 83,6 кДж (см. Ниже). Однако нагрев льда с 0 ° C до 20 ° C требует дополнительной энергии для растапливания 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, который необходимо растопить, плюс (2) 4,18 Дж / (г⋅K) × 20 K = 4,18 кДж / (кг⋅K) × 20 K = 83,6 кДж на 1 кг воды для повышения температуры на 20 K (1 + 2) 333,55 кДж + 83,6 кДж = 417,15 кДж на 1 кг льда для повышения температуры на 20 К
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:
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
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 от температуры раствора: ( Икс 2 ) <\ displaystyle (x_ <2>)> 
( Т суетиться ) <\ Displaystyle (Т _ <\ текст ( Т ) <\ displaystyle (T)>
пер Икс 2 знак равно — Δ ЧАС суетиться ∘ р ( 1 Т — 1 Т суетиться ) <\ displaystyle \ ln x_ <2>= — <\ frac <\ Delta H _ <\ text
Здесь — газовая постоянная . Например, прогнозируется растворимость парацетамола в воде при 298 К : р <\ displaystyle R>
Икс 2 знак равно exp [ — 28100 Дж моль — 1 8,314 JK — 1 моль — 1 ( 1 298 K — 1 442 K ) ] знак равно 0,0248 <\ displaystyle x_ <2>= \ exp <\ left [- <\ frac <28100
<\ text < K>>>> \ right) \ right]> = 0,0248>
Так как молярная масса воды и парацетамола 18,0153 г моль -1 и 151,17 г моль -1 , а плотность раствора составляет 1000 г л -1 , оценка растворимости в граммах на литр составляет:
0,0248 × 1000 г L — 1 18,0153 г моль — 1 1 — 0,0248 × 151,17 г моль — 1 знак равно 213,4 г L — 1 <\ displaystyle <\ frac <0,0248 \ times <\ frac <1000
<\ text
что является отклонением от реальной растворимости (240 г / л) на 11%. Эту ошибку можно уменьшить, если учесть дополнительный параметр теплоемкости .
Доказательство
При равновесных в химических потенциалах для чистого растворителя и чистого твердого вещества идентичны:
μ твердый ∘ знак равно μ решение ∘ <\ displaystyle \ mu _ <\ text
μ твердый ∘ знак равно μ жидкость ∘ + р Т пер Икс 2 <\ displaystyle \ mu _ <\ text
с в газовой постоянной и от температуры . р <\ Displaystyle R \,> Т <\ Displaystyle T \,>
р Т пер Икс 2 знак равно — ( μ жидкость ∘ — μ твердый ∘ ) <\ displaystyle RT \ ln X_ <2>= — (\ mu _ <\ text <жидкость>> ^ <\ circ>— \ mu _ <\ text
Δ грамм суетиться ∘ знак равно μ жидкость ∘ — μ твердый ∘ <\ displaystyle \ Delta G _ <\ text
теплота плавления представляет собой разность химических потенциалов между чистой жидкостью и чистым твердым телом, отсюда следует, что
р Т пер Икс 2 знак равно — ( Δ грамм суетиться ∘ ) <\ displaystyle RT \ ln X_ <2>= — (\ Delta G _ <\ text
( ∂ ( Δ грамм суетиться ∘ Т ) ∂ Т ) п знак равно — Δ ЧАС суетиться ∘ Т 2 <\ displaystyle \ left (<\ frac <\ partial (<\ frac <\ Delta G _ <\ text
в конечном итоге дает:
( ∂ ( пер Икс 2 ) ∂ Т ) знак равно Δ ЧАС суетиться ∘ р Т 2 <\ displaystyle \ left (<\ frac <\ partial (\ ln X_ <2>)> <\ partial T>> \ right) = <\ frac <\ Delta H _ <\ text
∂ пер Икс 2 знак равно Δ ЧАС суетиться ∘ р Т 2 × δ Т <\ displaystyle \ partial \ ln X_ <2>= <\ frac <\ Delta H _ <\ text
∫ Икс 2 знак равно 1 Икс 2 знак равно Икс 2 δ пер Икс 2 знак равно пер Икс 2 знак равно ∫ Т суетиться Т Δ ЧАС суетиться ∘ р Т 2 × Δ Т <\ Displaystyle \ int _
конечный результат получается:
пер Икс 2 знак равно — Δ ЧАС суетиться ∘ р ( 1 Т — 1 Т суетиться ) <\ displaystyle \ ln x_ <2>= — <\ frac <\ Delta H _ <\ text
Источник
