Скрытая теплота

Энергия термодинамического фазового перехода

Скрытая теплота (также известная как скрытая энергия или теплота преобразования ) — это энергия, выделяемая или поглощаемая телом или термодинамической системой во время процесса при постоянной температуре — обычно фазового перехода первого рода , такого как плавление или конденсация.

Скрытое тепло можно понимать как скрытую энергию, которая подается или извлекается для изменения состояния вещества без изменения его температуры или давления. Сюда входит скрытая теплота плавления (твердого тела в жидкость), скрытая теплота испарения (жидкости в газ) и скрытая теплота сублимации (твердого тела в газ). ^{[1] [2]}

Термин был введен около 1762 года шотландским химиком Джозефом Блэком . Блэк использовал этот термин в контексте калориметрии , где передача тепла вызывала изменение объема тела при постоянной температуре.

В отличие от скрытого тепла, явное тепло — это энергия, передаваемая в виде тепла , что приводит к изменению температуры тела.

Применение

График температуры фаз воды, нагретой от -100 °C до 200 °C - пример пунктирной линии показывает, что для растапливания и нагревания 1 кг льда при -50 °C до воды при 40 °C требуется 600 кДж.

Термины «явное тепло» и «скрытое тепло» относятся к энергии, передаваемой между телом и его окружением, определяемой возникновением или отсутствием изменения температуры; они зависят от свойств тела. Ощутимое тепло ощущается или ощущается в процессе как изменение температуры тела. Скрытая теплота — это энергия, передаваемая в процессе без изменения температуры тела, например, при фазовом переходе (твердое тело/жидкость/газ).

Как явная, так и скрытая теплота наблюдаются во многих процессах передачи энергии в природе. Скрытое тепло связано с изменением фазы атмосферной или океанской воды, испарением , конденсацией , замерзанием или таянием , тогда как явное тепло - это передаваемая энергия, которая проявляется в изменении температуры атмосферы, океана или льда без этих фазовых изменений. , хотя это связано с изменениями давления и объема.

Первоначальное использование этого термина, введенное Блэком, применялось к системам, которые намеренно поддерживались при постоянной температуре. Такое использование относилось к скрытой теплоте расширения и некоторым другим связанным с ней скрытым теплотам. Эти скрытые теплоты определяются независимо от концептуальных основ термодинамики. ^[3]

Когда тело нагревается при постоянной температуре тепловым излучением в микроволновом поле, например, оно может расшириться на величину, описываемую его скрытой теплотой по отношению к объему или скрытой теплотой расширения , или увеличить свое давление на величину, описываемую его скрытой теплотой расширения . тепло относительно давления . ^[4]

Скрытое тепло — это энергия, выделяемая или поглощаемая телом или термодинамической системой во время процесса при постоянной температуре. Двумя распространенными формами скрытой теплоты являются скрытая теплота плавления ( плавления ) и скрытая теплота испарения ( кипения ). Эти названия описывают направление потока энергии при переходе от одной фазы к другой: от твердого тела к жидкости и от жидкости к газу.

В обоих случаях изменение является эндотермическим , что означает, что система поглощает энергию. Например, когда вода испаряется, молекулам воды требуется затрата энергии, чтобы преодолеть силы притяжения между ними и осуществить переход из воды в пар.

Если пар затем конденсируется в жидкость на поверхности, то скрытая энергия пара, поглощенная во время испарения, высвобождается на поверхность в виде явного тепла жидкости .

Большая величина энтальпии конденсации водяного пара является причиной того, что пар является гораздо более эффективным теплоносителем, чем кипящая вода, и более опасен.

Метеорология

В метеорологии поток скрытого тепла — поток энергии от поверхности Земли в атмосферу , связанный с испарением или транспирацией воды у поверхности и последующей конденсацией водяного пара в тропосфере . Это важный компонент энергетического баланса поверхности Земли. Скрытый тепловой поток обычно измеряется с помощью метода коэффициента Боуэна , а в последнее время, с середины 1900-х годов, с помощью метода вихревой ковариации .

История

Английское слово «латентный» происходит от латинского latēns , что означает «скрытый» . ^{[5] [6]} Термин «скрытая теплота» был введен в калориметрию около 1750 года Джозефом Блэком — по заказу производителей шотландского виски в поисках идеальных количеств топлива и воды для процесса дистилляции — для изучения системных изменений, таких как объем и давление, когда термодинамическая система поддерживалась при постоянной температуре в термической ванне. Блэк сравнил бы изменение температуры двух одинаковых количеств воды, нагретых одинаковыми способами, одно из которых было, скажем, растоплено изо льда, тогда как другое было нагрето из просто холодного жидкого состояния. Сравнивая полученные температуры, он мог заключить, что, например, температура образца, расплавленного изо льда, была на 140 °F ниже, чем у другого образца, таким образом, таяние льда поглотило 140 «градусов тепла», которое нельзя было измерить с помощью термометра. термометр, но его необходимо было поставить, поэтому он был «скрытым» (скрытым). Блэк также пришел к выводу, что столько же скрытого тепла, которое было подведено при кипячении дистиллята (таким образом давая необходимое количество топлива), также должно было быть поглощено для его повторной конденсации (таким образом давая необходимую охлаждающую воду). ^[7]

Позже Джеймс Прескотт Джоуль охарактеризовал скрытую энергию как энергию взаимодействия в данной конфигурации частиц, т. е. форму потенциальной энергии , а явную теплоту как энергию, которую показывал термометр, ^[8] относя последнюю к тепловой энергии. .

Удельная скрытая теплота

Удельная скрытая теплота ( L ) выражает количество энергии в виде тепла ( Q ), необходимое для полного фазового изменения единицы массы ( м ), обычно 1 кг , вещества как интенсивного свойства :

${\displaystyle L={\frac {Q}{m}}.}$

Интенсивные свойства являются характеристиками материала и не зависят от размера или протяженности образца. В литературе обычно цитируются и заносятся в таблицы удельная скрытая теплота плавления и удельная скрытая теплота испарения для многих веществ.

Исходя из этого определения, скрытая теплота для данной массы вещества рассчитывается по формуле

${\displaystyle Q={m}{L}}$

где:

Q — количество энергии, выделяемой или поглощаемой при изменении фазы вещества (в кДж или в БТЕ ),

m — масса вещества (в кг или фунтах ), а

L — удельная скрытая теплота для конкретного вещества (в кДж кг ^-1 или в БТЕ фунт ^-1 ), либо L _f для плавления, либо L _v для испарения.

Таблица удельной скрытой теплоты

В следующей таблице показаны удельная скрытая теплота и изменение температур фаз (при стандартном давлении) некоторых распространенных жидкостей и газов. ^{[ нужна цитата ]}

Удельная скрытая теплота конденсации воды в облаках

Удельная скрытая теплота конденсации воды в диапазоне температур от −25 °С до 40 °С аппроксимируется следующей эмпирической кубической функцией:

${\displaystyle L_{\text{water}}(T)\approx \left(2500.8-2.36T+0.0016T^{2}-0.00006T^{3}\right)~{\text{J/g}},}$^[11]

где за температуру принимается числовое значение в °С. ${\displaystyle T}$

При сублимации и осаждении изо льда и во льду удельная скрытая теплота практически постоянна в диапазоне температур от -40 ° C до 0 ° C и может быть аппроксимирована следующей эмпирической квадратичной функцией:

${\displaystyle L_{\text{ice}}(T)\approx \left(2834.1-0.29T-0.004T^{2}\right)~{\text{J/g}}.}$^[11]

Изменение температуры (или давления)

Зависимость теплоты испарения воды, метанола, бензола и ацетона от температуры.

Когда температура (или давление) повышается до критической точки , скрытая теплота испарения падает до нуля.

Смотрите также

• соотношение Боуэна
• Поток вихревой ковариации (вихревая корреляция, вихревой поток)
• Сублимация (физика)
• Удельная теплоемкость
• Энтальпия плавления
• Энтальпия испарения
• Тонна охлаждения — мощность, необходимая для замораживания или растапливания 2000 фунтов воды за 24 часа.

Рекомендации

1. Перро, Пьер (1998). Термодинамика от А до Я. Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-856552-6.
2. Кларк, Джон О.Э. (2004). Основной научный словарь . Книги Барнса и Нобл. ISBN 0-7607-4616-8.
3. Брайан, GH (1907). Термодинамика. Вводный трактат, посвященный главным образом первым принципам и их прямому применению , Б. Г. Тюбнер, Лейпциг, страницы 9, 20–22.
4. Максвелл, Дж. К. (1872). Теория тепла , третье издание, Longmans, Green, and Co., Лондон, стр. 73.
5. Харпер, Дуглас. «скрытый». Интернет-словарь этимологии .
6. Льюис, Чарльтон Т. (1890). Элементарный латинский словарь . Вход для латенов.
7. Джеймс Берк (1979). «Кредит там, где он причитается». День, когда Вселенная изменилась . Эпизод 6. Событие происходит на 50 (34 минуте). Би-би-си.
8. Дж. П. Джоуль (1884), Научная статья Джеймса Прескотта Джоуля , Лондонское физическое общество, стр. 274, я склонен полагать, что обе эти гипотезы окажутся верными, а именно, что в некоторых случаях, особенно в случае явного тепла или такого, которое показывает термометр, будет обнаружено, что тепло состоит из живая сила частиц тел, в которых она индуцируется; в то время как в других, особенно в случае скрытой теплоты, явления возникают в результате отделения частицы от частицы, что заставляет их притягиваться друг к другу через большее пространство., Лекция о материи, живой силе и тепле. 5 и 12 мая 1847 г.
9. Явс, Карл Л. (2011). Справочник Яуса по свойствам химических элементов . Кновел.
10. Элерт, Гленн (2021). "Скрытая теплота". Гиперучебник по физике .
11. Полиномиальная кривая соответствует таблице 2.1. Р. Р. Роджерс; МК Яу (1989). Краткий курс физики облаков (3-е изд.). Пергамон Пресс. п. 16. ISBN 0-7506-3215-1.