Höyrystymislämpö Määritelmä
Höyrystymislämpö (∆Hvap) tunnetaan myös nimellä höyrystymisentalpia, ja se määritellään entalpian (lämpöenergian) määränä, joka tarvitaan nestemäisen aineen muuttamiseksi kaasuksi tai höyryksi. Se mitataan jouleina moolia kohti (J/mol) tai joskus kaloreina (C).
Höyrystymislämmön selitys
Höyrystymislämmöllä on aina positiivinen arvo, koska nestemäisen aineen höyrystämiseksi systeemiin lisätään aina entalpia. Kun molekyylit saavat lisää liike-energiaa, ne todennäköisemmin irtoavat nesteestä ja muuttuvat kaasuksi.
Tarvittavaa sisäisen energian lisäystä voidaan kuvata nesteen molekyylien välisten vuorovaikutusten katkaisemiseen tarvittavana energiana. Mitä heikommat atomien väliset sidokset ovat, sitä vähemmän energiaa tarvitaan näiden sidosten katkaisemiseen.
Tarvittava energiamäärä on riippuvainen paineesta, jossa muutos tapahtuu, ja se riippuu lämpötilasta. Mitä kuumempi neste jo on, sitä vähemmän energiaa tarvitaan. Korkeammissa paineissa tarvitaan enemmän energiaa. On olemassa kriittinen lämpötila, jossa höyrystymislämpö häviää (Tr=1). Tämän kriittisen lämpötilan jälkeen ainetta ei voida erottaa nesteeksi eikä höyryksi. Sen sijaan sitä kutsutaan ylikriittiseksi nesteeksi.
Liuoksessa, joka sisältää sekä nestemäisen että kaasumaisen olomuodon, höyryn liike-energia on suurempi kuin nesteen, koska höyryhiukkaset pystyvät virtaamaan helpommin. Kaasuhiukkasten lisääntynyt liike verrattuna nestehiukkasiin synnyttää lämpöä ja painetta.
Höyrystymislämmön kaava
Hyvin perusyhtälö höyrystymislämmön laskemiseksi on:
ΔHvap = Hhöyry – Hneste
Tämä laskee höyrystymisvaiheen sisäenergian eron nestemäiseen vaiheeseen verrattuna.
Tämä yhtälö ei kuitenkaan ota huomioon sitä lisäenergiaa, joka tarvitaan kaasuhiukkasten työntämiseen takaisin ilmakehän painetta vastaan, jotta tilavuus kasvaa nesteen kiehuessa.
Siten täydellisempi yhtälö höyrystymislämmön laskemiseksi on:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
Jossa ΔUvap on höyryfaasin ja nestefaasin sisäenergian erotus (ΔUvap = Hhöyry – Hneste), ja pΔV on ympäristön painetta vastaan tehty työ.
Veden höyrystymislämpö
Vedellä on suuri ominaislämpö. Tämä mitta kuvaa energiamäärää, joka tarvitaan veden lämpötilan nostamiseen 1 celsiusasteen verran. Näin ollen vedellä on myös korkea höyrystymislämpö. Itse asiassa veden höyrystymiseen tarvitaan yli 40 000 joulea moolia kohti. Tämä on äärimmäisen tärkeää maapallon elämälle.
Koska suurin osa maapallosta koostuu vedestä, vesi kumoaa suuret muutokset maapallon saaman aurinkoenergian määrässä. Vesi imee lämpöä hitaasti ja luovuttaa lämpöä, kun aurinkoa on vähemmän. Tämä auttaa torjumaan rajuja lämpötilamuutoksia, jotka olisivat tuhoisia elämälle. Vertailun vuoksi, jos maailma koostuisi enimmäkseen etanolista, lämpötila vaihtelisi nopeasti, koska etanolin höyrystymislämpö ja ominaislämpö ovat paljon alhaisemmat.
Tämä korkea höyrystymislämpö ei kuitenkaan välttämättä riitä lämpötilan säätelyyn ihmisen toimien edessä. Ilmastonmuutos ja erityisesti ilmaston lämpeneminen lisäävät ilmakehään paljon lämpöä. Vaikka valtameri voi absorboida suuren osan tästä lämmöstä, sillä on rajansa. Kun valtameri imee lämpöä, sen molekyylit laajenevat. Tämä laajeneminen johtaa suureen osaan niistä tulvista, joita ilmastotutkijat tällä hetkellä arvioivat.
Höyrystymislämmön erot
Höyrystymislämpöön vaikuttavat eniten molekyylien väliset vuorovaikutukset liuoksessa. Nesteessä molekyylit liikkuvat toistensa ohi, mutta ovat jatkuvasti vuorovaikutuksessa. Jotkut muodostavat vetysidoksia, kun taas toiset aineet muodostavat muunlaisia lieviä sidoksia molekyylien välille. Nämä sidokset sisältävät energiaa ja pitävät nesteen matalamman energian tilassa. Höyrystymislämpö kuvaa, kuinka paljon energiaa tarvitaan näiden sidosten irrottamiseen.
Vedellä on korkea höyrystymislämpö, koska vetysidokset muodostuvat helposti yhden molekyylin hapen ja muiden molekyylien vetyjen välille. Nämä sidokset pitävät molekyylit yhdessä. Jotta vesi höyrystyisi, on lämpötilaa nostettava, jotta molekyylit saadaan liikkumaan nopeammin. Tietyssä vaiheessa molekyylit alkavat irrottautua nesteestä ja höyrystyä.
Metalleilla on vielä suurempi höyrystymislämpö. Monet metallit muodostavat monimutkaisia vuorovaikutuksia muiden metalliatomien kanssa. Tämä pitää molekyylit yhdessä vielä tiukemmin kuin vesimolekyylit. Näin ollen metallien höyrystymislämpö on paljon suurempi kuin veden.