Vypařovací teplo definice
Vypařovací teplo (∆Hvap), známé také jako entalpie vypařování, je definováno množstvím entalpie (tepelné energie), které je potřebné k přeměně kapalné látky na plyn nebo páru. Měří se v joulech na mol (J/mol) nebo někdy v kaloriích (C).
Vysvětlení vypařovacího tepla
Vypařovací teplo má vždy kladnou hodnotu, protože k vypaření kapaliny se do systému vždy přidává entalpie. Když molekuly získají více kinetické energie, je pravděpodobnější, že se oddělí od kapaliny a stanou se plynem.
Potřebné zvýšení vnitřní energie lze popsat jako energii potřebnou k přerušení mezimolekulárních interakcí v kapalině. Čím slabší je vazba mezi atomy, tím méně energie je potřeba k přerušení těchto vazeb.
Potřebné množství energie je funkcí tlaku, při kterém přeměna probíhá, a závisí na teplotě. Čím je kapalina již teplejší, tím méně energie je zapotřebí. Při vyšších tlacích je zapotřebí více energie. Existuje kritická teplota, při které vypařovací teplo mizí (Tr=1). Za touto kritickou teplotou není látka rozlišitelná ani jako kapalina, ani jako pára. Místo toho se stává známou jako nadkritická kapalina.
V roztoku, který obsahuje jak kapalné, tak plynné skupenství, je kinetická energie páry vyšší než energie kapaliny, protože částice páry mohou snadněji proudit. Zvýšený pohyb částic plynu ve srovnání s částicemi kapaliny vytváří teplo a tlak.
Vzorce pro výpočet vypařovacího tepla
Základní rovnice pro výpočet vypařovacího tepla je:
ΔHvap = Hvapor – Hliquid
Tím se vypočítá rozdíl vnitřní energie parní fáze ve srovnání s kapalnou fází.
Tato rovnice však nezohledňuje dodatečnou energii potřebnou k tomu, aby částice plynu tlačily zpět proti atmosférickému tlaku a umožnily tak zvětšení objemu při varu kapaliny.
Úplnější rovnice pro výpočet vypařovacího tepla tedy zní:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
Kde ΔUvap je rozdíl vnitřní energie mezi parní a kapalnou fází (ΔUvap = Hvapor – Hliquid) a pΔV je práce vykonaná proti okolnímu tlaku.
Výparné teplo vody
Voda má vysoké měrné teplo. Tato veličina popisuje množství energie potřebné ke zvýšení teploty vody o 1 stupeň Celsia. Voda jako taková má také vysoké vypařovací teplo. Ve skutečnosti je k vypaření vody zapotřebí více než 40 000 joulů na mol. To je pro život na Zemi nesmírně důležité.
Jelikož je většina Země tvořena vodou, velké změny v množství sluneční energie, kterou Země přijímá, voda vyrovnává. Voda pomalu absorbuje teplo a při menším slunečním záření teplo uvolňuje. To pomáhá čelit drastickým změnám teploty, které by byly pro život zničující. Pro srovnání, kdyby byl svět tvořen převážně etanolem, teplota by prudce kolísala, protože etanol má mnohem nižší výparné teplo a měrné teplo.
Toto vysoké výparné teplo by však nemuselo stačit na regulaci teploty v důsledku lidské činnosti. Klimatické změny, a konkrétně globální oteplování, přidávají do atmosféry velké množství tepla. Oceán sice může velkou část tohoto tepla absorbovat, ale má své limity. Navíc, jak oceán absorbuje teplo, jeho molekuly se rozpínají. Tato expanze povede k většině záplav, které v současné době klimatologové odhadují.
Rozdíl v teple vypařování
Hlavní vliv na teplo vypařování mají interakce mezi molekulami v roztoku. V kapalině se molekuly pohybují kolem sebe, ale neustále na sebe vzájemně působí. Některé tvoří vodíkové vazby, zatímco jiné látky vytvářejí mezi molekulami jiné typy mírných vazeb. Tyto vazby obsahují energii a udržují kapalinu v nižším energetickém stavu. Vypařovací teplo popisuje, kolik energie je potřeba k oddělení těchto vazeb.
Voda má vysoké vypařovací teplo, protože mezi kyslíkem jedné molekuly a vodíky jiných molekul se snadno tvoří vodíkové vazby. Tyto vazby drží molekuly pohromadě. Aby se voda vypařila, je třeba zvýšit teplotu, aby se molekuly pohybovaly rychleji. V určitém okamžiku se molekuly začnou oddělovat od kapaliny a vypařovat se.
Kovy mají ještě vyšší výparné teplo. Mnoho kovů vytváří složité interakce s atomy jiných kovů. Díky tomu drží molekuly pohromadě ještě pevněji než molekuly vody. Proto je vypařovací teplo kovů mnohem vyšší než u vody.