Verdampingswarmte Definitie
Ook bekend als enthalpie van verdamping, wordt de verdampingswarmte (∆Hvap) gedefinieerd als de hoeveelheid enthalpie (warmte-energie) die nodig is om een vloeibare stof in een gas of damp om te zetten. Hij wordt gemeten in Joule per mol (J/mol), of soms in Calorieën (C).
Verdampingswarmte uitgelegd
De verdampingswarmte heeft altijd een positieve waarde omdat er altijd enthalpie aan een systeem wordt toegevoegd om een vloeistof te laten verdampen. Naarmate de moleculen meer kinetische energie krijgen, wordt de kans groter dat zij zich van de vloeistof afscheiden en een gas worden.
De vereiste toename van de inwendige energie kan worden beschreven als de energie die nodig is om de intermoleculaire interacties in de vloeistof te verbreken. Hoe zwakker de binding tussen atomen, hoe minder energie er nodig is om die bindingen te verbreken.
De hoeveelheid benodigde energie is een functie van de druk waarbij de omzetting plaatsvindt, en is temperatuurafhankelijk. Hoe heter de vloeistof al is, hoe minder energie er nodig is. Bij hogere druk is meer energie nodig. Er is een kritische temperatuur waarbij de verdampingswarmte verdwijnt (Tr=1). Voorbij deze kritische temperatuur is de stof noch als vloeistof noch als damp te onderscheiden. In plaats daarvan wordt zij bekend als een superkritische vloeistof.
In een oplossing die zowel de vloeibare als de gasvormige toestand bevat, is de kinetische energie van de damp hoger dan die van de vloeistof omdat de dampdeeltjes gemakkelijker kunnen stromen. Door de grotere beweging van de gasdeeltjes ten opzichte van de vloeistofdeeltjes ontstaat warmte en druk.
Verdampingswarmte Formule
Een zeer eenvoudige vergelijking om de verdampingswarmte te berekenen is:
ΔHvap = Hvapor – Hliquid
Hiermee wordt het verschil in inwendige energie van de dampfase ten opzichte van de vloeibare fase berekend.
Deze vergelijking houdt echter geen rekening met de extra energie die de gasdeeltjes nodig hebben om zich tegen de atmosferische druk in te drukken om de volumetoename bij het koken van een vloeistof mogelijk te maken.
Een vollediger vergelijking om de verdampingswarmte te berekenen is dan ook:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
Waarbij ΔUvap het verschil in inwendige energie is tussen de dampfase en de vloeistoffase (ΔUvap = Hvapor – Hliquid), en pΔV de arbeid is die tegen de omgevingsdruk in wordt verricht.
Verdampingswarmte van water
Water heeft een hoge soortelijke warmte. Deze maat beschrijft de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van water 1 graad Celsius te laten stijgen. Als zodanig heeft water ook een hoge verdampingswarmte. Water heeft meer dan 40.000 Joule per mol nodig om te verdampen. Dit is uiterst belangrijk voor het leven op Aarde.
Omdat het grootste deel van de Aarde uit water bestaat, worden grote veranderingen in de hoeveelheid zonne-energie die de Aarde ontvangt, tegengewerkt door water. Water absorbeert langzaam warmte en geeft warmte af als er minder zon is. Dit helpt drastische temperatuursveranderingen tegen te gaan, die verwoestend zouden zijn voor het leven. Ter vergelijking: als de wereld voor het grootste deel uit ethanol zou bestaan, zou de temperatuur snel schommelen omdat ethanol een veel lagere verdampingswarmte en specifieke warmte heeft.
Het is echter mogelijk dat deze hoge verdampingswarmte niet opgewassen is tegen de taak om de temperatuur te reguleren in het licht van menselijk handelen. Klimaatverandering en vooral opwarming van de aarde voegen veel warmte toe aan de atmosfeer. Hoewel de oceaan veel van deze warmte kan absorberen, heeft hij zijn grenzen. Als de oceaan warmte absorbeert, zetten de moleculen uit. Deze uitzetting zal leiden tot veel van de overstromingen die momenteel door klimaatwetenschappers worden geschat.
Verschillen in de verdampingswarmte
De belangrijkste invloeden op de verdampingswarmte zijn de interacties tussen moleculen in een oplossing. In een vloeistof bewegen de moleculen langs elkaar heen, maar staan voortdurend met elkaar in wisselwerking. Sommige vormen waterstofbruggen, terwijl andere stoffen andere soorten milde bindingen tussen moleculen vormen. Deze bindingen bevatten energie, en houden de vloeistof in een lagere energietoestand. De verdampingswarmte beschrijft hoeveel energie er nodig is om deze bindingen te scheiden.
Water heeft een hoge verdampingswarmte omdat zich gemakkelijk waterstofbruggen vormen tussen de zuurstof van een molecuul en de hydrogenen van andere moleculen. Deze bindingen houden de moleculen bij elkaar. Om water te laten verdampen, moet je de temperatuur verhogen om de moleculen sneller te laten bewegen. Op een gegeven moment zullen de moleculen zich losmaken van de vloeistof en verdampen.
Metalen hebben een nog hogere verdampingswarmte. Veel metalen vormen complexe interacties met andere metaalatomen. Dit houdt de moleculen nog dichter bij elkaar dan watermoleculen. De verdampingswarmte van metalen is dan ook veel hoger dan die van water.