Ciepło parowania Definicja
Znane również jako entalpia parowania, ciepło parowania (∆Hvap) jest definiowane przez ilość entalpii (energii cieplnej), która jest wymagana do przekształcenia substancji ciekłej w gaz lub parę. Jest ono mierzone w dżulach na mol (J/mol), lub czasami w kaloriach (C).
Ciepło parowania wyjaśnione
Ciepło parowania zawsze ma wartość dodatnią, ponieważ entalpia jest zawsze dodawana do systemu w celu odparowania cieczy. Jak cząsteczki zyskują więcej energii kinetycznej, stają się bardziej prawdopodobne, aby oddzielić się od cieczy i stać się gazem.
Wymagany wzrost energii wewnętrznej może być opisany jako energia potrzebna do przerwania oddziaływań międzycząsteczkowych w cieczy. Im słabsze wiązanie między atomami, tym mniej energii jest potrzebne do przerwania tych wiązań.
Wymagana ilość energii jest funkcją ciśnienia, w którym zachodzi przemiana, i zależy od temperatury. Im ciecz jest już gorętsza, tym mniej energii jest wymagane. Przy wyższych ciśnieniach, więcej energii jest wymagane. Istnieje temperatura krytyczna, w której ciepło parowania zanika (Tr=1). Po przekroczeniu tej temperatury krytycznej, substancja nie jest rozróżnialna ani jako ciecz, ani jako para. Zamiast tego, staje się znana jako płyn nadkrytyczny.
W roztworze zawierającym zarówno stan ciekły jak i gazowy, energia kinetyczna pary jest wyższa niż cieczy, ponieważ cząsteczki pary są w stanie płynąć łatwiej. Zwiększony ruch cząsteczek gazu w porównaniu z cząsteczkami cieczy powoduje powstanie ciepła i ciśnienia.
Wzór na ciepło parowania
Bardzo podstawowe równanie pozwalające obliczyć ciepło parowania to:
ΔHvap = Hvapor – Hliquid
Oblicza ono różnicę w energii wewnętrznej fazy parowej w porównaniu z fazą ciekłą.
Jednakże równanie to nie uwzględnia dodatkowej energii potrzebnej do odepchnięcia cząsteczek gazu od ciśnienia atmosferycznego, aby umożliwić zwiększenie objętości podczas wrzenia cieczy.
Więc, bardziej kompletne równanie do obliczenia ciepła parowania to:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
Gdzie ΔUvap jest różnicą w energii wewnętrznej pomiędzy fazą pary i fazą ciekłą (ΔUvap = Hvapor – Hliquid), a pΔV jest pracą wykonaną wbrew ciśnieniu otoczenia.
Ciepło parowania wody
Woda ma wysokie ciepło właściwe. Ta miara opisuje ilość energii potrzebnej do podniesienia temperatury wody o 1 stopień Celsjusza. Jako taka, woda ma również wysokie ciepło parowania. W rzeczywistości, woda potrzebuje ponad 40,000 dżuli na mol, aby wyparować. Jest to niezwykle ważne dla życia na Ziemi.
Ponieważ większość Ziemi jest zbudowana z wody, duże zmiany w ilości energii słonecznej, którą otrzymuje Ziemia są przeciwdziałane przez wodę. Woda pochłania ciepło powoli i uwalnia ciepło, gdy jest mniej słońca. Pomaga to przeciwdziałać drastycznym zmianom temperatury, które byłyby niszczycielskie dla życia. Dla porównania, gdyby świat składał się głównie z etanolu, temperatura zmieniałaby się gwałtownie, ponieważ etanol ma znacznie niższe ciepło parowania i ciepło właściwe.
Jednakże to wysokie ciepło parowania może nie sprostać zadaniu regulacji temperatury w obliczu działań człowieka. Zmiany klimatyczne, a w szczególności globalne ocieplenie, dodają mnóstwo ciepła do atmosfery. Ocean może pochłonąć znaczną część tego ciepła, ale ma pewne ograniczenia. Ponadto, gdy ocean pochłania ciepło, jego cząsteczki rozszerzają się. Ta ekspansja doprowadzi do wielu z powodzi, które są obecnie szacowane przez klimatologów.
Różnice w cieple parowania
Główne wpływy na ciepło parowania są interakcje między cząsteczkami w roztworze. W cieczy, cząsteczki poruszają się obok siebie, ale stale oddziałują. Niektóre tworzą wiązania wodorowe, podczas gdy inne substancje tworzą inne rodzaje łagodnych wiązań między cząsteczkami. Wiązania te zawierają energię i utrzymują ciecz w stanie o niższej energii. Ciepło parowania opisuje, jak dużo energii jest potrzebne do oddzielenia tych bonds.
Woda ma wysokie ciepło parowania, ponieważ wiązania wodorowe tworzą się łatwo między tlenem jednej cząsteczki i hydrogenów innych cząsteczek. Wiązania te utrzymują cząsteczki razem. Aby woda wyparowała, należy zwiększyć temperaturę, co spowoduje, że cząsteczki będą poruszać się szybciej. W pewnym momencie, cząsteczki zaczną odrywać się od cieczy i parować.
Metale mają jeszcze wyższe ciepło parowania. Wiele metali tworzą złożone interakcje z innymi atomami metali. To trzyma cząsteczki razem nawet ciaśniej niż cząsteczki wody. Jako takie, ciepło parowania metali jest znacznie wyższe niż ciepło parowania wody.
.