Энтальпия испарения

Энергия преобразования жидкого вещества в газ при заданном давлении.

Зависимость теплот парообразования воды , метанола , бензола и ацетона от температуры

В термодинамике энтальпия парообразования (обозначение ∆ H _vap ), также известная как ( скрытая ) теплота парообразования или теплота испарения , представляет собой количество энергии ( энтальпии ), которую необходимо добавить к жидкому веществу, чтобы превратить некоторое количество это вещество в газ . Энтальпия парообразования является функцией давления и температуры, при которых происходит превращение ( испарение или испарение ).

Энтальпию испарения часто называют нормальной температурой кипения вещества. Хотя табличные значения обычно корректируются до 298  К , ​​эта поправка часто меньше, чем неопределенность измеренного значения.

Теплота парообразования зависит от температуры, хотя можно предположить постоянную теплоту парообразования для небольших интервалов температур и при пониженной температуре T _r ≪ 1 . Теплота парообразования уменьшается с повышением температуры и полностью исчезает в определенной точке, называемой _{критической} температурой ( Tr = 1 ). Выше критической температуры жидкая и паровая фазы неразличимы, и вещество называется сверхкритической жидкостью .

Единицы

Значения обычно указываются в Дж / моль или кДж/моль (молярная энтальпия испарения), хотя кДж/кг или Дж/г (удельная теплота испарения) и более старые единицы, такие как ккал /моль, кал/г и БТЕ / lb иногда до сих пор используются среди других.

Энтальпия конденсации

Энтальпия конденсации (или теплота конденсации ) по определению равна энтальпии испарения с противоположным знаком: изменения энтальпии испарения всегда положительны (тепло поглощается веществом), тогда как изменения энтальпии конденсации всегда отрицательны (тепло выделяется веществом).

Термодинамический фон

Молярная энтальпия цинка выше 298,15  К и при  давлении 1 атм, демонстрирующая разрывы при температурах плавления и кипения. Энтальпия плавления (ΔH ° m) цинка равна 7323  Дж/моль, а энтальпия испарения (ΔH ° v) –115 330  Дж/моль .

Энтальпию испарения можно записать как

${\displaystyle \Delta H_{\text{vap}}=\Delta U_{\text{vap}}+p\,\Delta V}$

Она равна увеличенной внутренней энергии паровой фазы по сравнению с жидкой фазой плюс работа, совершаемая против давления окружающей среды. Увеличение внутренней энергии можно рассматривать как энергию, необходимую для преодоления межмолекулярных взаимодействий в жидкости (или твердом теле, в случае сублимации ). Следовательно, гелий имеет особенно низкую энтальпию испарения, 0,0845 кДж/моль, поскольку силы Ван-дер-Ваальса между атомами гелия особенно слабы. С другой стороны, молекулы в жидкой воде удерживаются вместе относительно прочными водородными связями , а ее энтальпия испарения, 40,65 кДж/моль, более чем в пять раз превышает энергию, необходимую для нагрева того же количества воды от 0 °C до 100 °С ( с р  = 75,3 Дж/К·моль). Однако необходимо соблюдать осторожность при использовании энтальпии испарения для измерения силы межмолекулярных сил, поскольку эти силы могут в некоторой степени сохраняться в газовой фазе (как в случае с фтористым водородом ), и поэтому расчетное значение связи сила будет слишком низкой. Это особенно верно в отношении металлов, которые часто образуют ковалентно связанные молекулы в газовой фазе: в этих случаях для получения истинного значения энергии связи необходимо использовать энтальпию атомизации .

Альтернативное описание состоит в том, чтобы рассматривать энтальпию конденсации как тепло, которое должно быть передано в окружающую среду, чтобы компенсировать падение энтропии , когда газ конденсируется в жидкость. Поскольку жидкость и газ находятся в равновесии при температуре кипения ( T _b ), Δ _v G  = 0, что приводит к:

${\displaystyle \Delta _{\text{v}}S=S_{\text{gas}}-S_{\text{liquid}}={\frac {\Delta _{\text{v}}H}{T_{\text{b}}}}}$

Поскольку ни энтропия, ни энтальпия сильно не изменяются в зависимости от температуры, нормально использовать табличные стандартные значения без какой-либо поправки на разницу температур от 298 К. Поправку необходимо внести, если давление отличается от 100  кПа , поскольку энтропия газа пропорциональна его давлению (или, точнее, его летучести ): энтропия жидкостей мало меняется с давлением, так как сжимаемость жидкости мала.

Эти два определения эквивалентны: точка кипения — это температура, при которой возросшая энтропия газовой фазы преодолевает межмолекулярные силы. Поскольку данное количество вещества всегда имеет более высокую энтропию в газовой фазе, чем в конденсированной фазе ( всегда положительна), и из ${\displaystyle \Delta _{\text{v}}S}$

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S}$,

Изменение свободной энергии Гиббса падает с ростом температуры: газы предпочтительнее при более высоких температурах, как это наблюдается на практике.

Энтальпия испарения растворов электролитов

Оценку энтальпии испарения растворов электролитов можно просто провести с использованием уравнений, основанных на химико-термодинамических моделях, таких как модель Питцера ^[1] или модель TCPC. ^[2]

Выбранные значения

Элементы

Испарение металлов является ключевым этапом синтеза паров металлов , в котором используется повышенная реакционная способность атомов металлов или мелких частиц по сравнению с объемными элементами.

Другие распространенные вещества

Энтальпии испарения обычных веществ, измеренные при их соответствующих стандартных температурах кипения:

Смотрите также

• Отношение Клаузиуса – Клапейрона
• Уравнение Шиманского , описывает температурную зависимость теплоты парообразования
• Энтальпия плавления , удельная теплота плавления
• Энтальпия сублимации
• Метод Джобака , оценка теплоты испарения при нормальной температуре кипения по молекулярным структурам.
• Скрытая теплота

Рекомендации

1. Ге, Синьлэй; Ван, Сидун (20 мая 2009 г.). «Оценка снижения температуры замерзания, повышения температуры кипения и энтальпии испарения растворов электролитов». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 48 (10): 5123. дои : 10.1021/ie900434h .
2. Ге, Синьлэй; Ван, Сидун (2009). «Расчеты снижения температуры замерзания, повышения температуры кипения, давления пара и энтальпии испарения растворов электролитов с помощью модифицированной корреляционной модели треххарактеристических параметров». Журнал химии растворов . 38 (9): 1097–1117. дои : 10.1007/s10953-009-9433-0. ISSN  0095-9782. S2CID  96186176.
3. НИСТ

• Ключевые значения CODATA для термодинамики
• Гмелин, Леопольд (1985). Gmelin-Handbuch der anorganischen Chemie / 08 a (8., völlig neu Bearb. Aufl. ed.). Берлин [ua]: Шпрингер. стр. 116–117. ISBN 978-3-540-93516-2.
• Интернет-книга NIST по химии
• Янг, Фрэнсис В. Сирс, Марк В. Земански, Хью Д. (1982). Университетская физика (6-е изд.). Ридинг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли. ISBN 978-0-201-07199-3.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )