Förångningsvärme Definition
Förångningsvärmen (∆Hvap), även känd som förångningsenthalpi, definieras som den mängd entalpi (värmeenergi) som krävs för att omvandla en flytande substans till en gas eller ånga. Den mäts i joule per mol (J/mol), eller ibland i kalorier (C).
Förångningsvärme förklarad
Förångningsvärmen har alltid ett positivt värde eftersom entalpi alltid läggs till ett system för att förånga en vätska. När molekylerna får mer kinetisk energi blir de mer benägna att separera från vätskan och bli en gas.
Den nödvändiga ökningen av den inre energin kan beskrivas som den energi som behövs för att bryta de intermolekylära interaktionerna i vätskan. Ju svagare bindningen mellan atomerna är, desto mindre energi behövs för att bryta dessa bindningar.
Mängden energi som krävs är en funktion av det tryck vid vilket omvandlingen äger rum och är temperaturberoende. Ju varmare vätskan redan är, desto mindre energi krävs. Vid högre tryck krävs mer energi. Det finns en kritisk temperatur vid vilken förångningsvärmen försvinner (Tr=1). Efter denna kritiska temperatur kan ämnet inte särskiljas vare sig som vätska eller ånga. Istället blir det känt som en superkritisk vätska.
I en lösning som innehåller både det flytande och det gasformiga tillståndet är ångans kinetiska energi högre än vätskans eftersom ångpartiklarna kan flyta lättare. Den ökade rörelsen i gaspartiklar jämfört med vätskepartiklar skapar värme och tryck.
Formel för förångningsvärme
En mycket grundläggande ekvation för att beräkna förångningsvärmen är:
ΔHvap = Hvapor – Hliquid
Detta beräknar skillnaden i inre energi i ångfasen jämfört med den flytande fasen.
Denna ekvation tar dock inte hänsyn till den extra energi som krävs för att gaspartiklarna ska trycka tillbaka mot det atmosfäriska trycket för att möjliggöra volymökningen när en vätska kokar.
En mer fullständig ekvation för att beräkna förångningsvärmen är därför:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
Varvid ΔUvap är skillnaden i inre energi mellan ångfasen och vätskefasen (ΔUvap = Hvapor – Hliquid), och pΔV är det arbete som utförs mot det omgivande trycket.
Vattens förångningsvärme
Vatten har hög specifik värme. Detta mått beskriver den mängd energi som krävs för att höja vattnets temperatur med 1 grad Celsius. Som sådant har vatten också en hög förångningsvärme. Faktum är att vatten kräver över 40 000 joule per mol för att förångas. Detta är oerhört viktigt för livet på jorden.
Då större delen av jorden består av vatten, motverkas stora förändringar i den mängd solenergi som jorden tar emot av vatten. Vatten absorberar värme långsamt och avger värme när det finns mindre sol. Detta bidrar till att motverka drastiska temperaturförändringar, som skulle vara förödande för livet. Som jämförelse skulle temperaturen svänga snabbt om världen till största delen bestod av etanol, eftersom etanol har en mycket lägre förångningsvärme och specifik värme.
Denna höga förångningsvärme kanske dock inte räcker till för att reglera temperaturen i samband med människans agerande. Klimatförändringarna, och särskilt den globala uppvärmningen, tillför mycket värme till atmosfären. Även om havet kan absorbera mycket av denna värme har det gränser. Dessutom expanderar molekylerna när havet absorberar värme. Denna expansion kommer att leda till en stor del av de översvämningar som för närvarande uppskattas av klimatforskare.
Differenser i förångningsvärme
De viktigaste influenserna på förångningsvärmen är interaktionerna mellan molekylerna i en lösning. I en vätska rör sig molekylerna förbi varandra men interagerar hela tiden. Vissa bildar vätebindningar, medan andra ämnen bildar andra typer av milda bindningar mellan molekylerna. Dessa bindningar innehåller energi och håller vätskan i ett lägre energitillstånd. Förångningsvärmen beskriver hur mycket energi som behövs för att separera dessa bindningar.
Vatten har en hög förångningsvärme eftersom vätebindningar lätt bildas mellan syret i en molekyl och väteämnena i andra molekyler. Dessa bindningar håller ihop molekylerna. För att få vatten att förångas måste man öka temperaturen för att få molekylerna att röra sig snabbare. Vid en viss punkt kommer molekylerna att börja bryta sig loss från vätskan och förångas.
Metaller har en ännu högre förångningsvärme. Många metaller bildar komplexa interaktioner med andra metallatomer. Detta håller ihop molekylerna ännu hårdare än vattenmolekylerna. Därför är metallers förångningsvärme mycket högre än vattnets.