Definicja i przykłady ciepła utajonego

Corinna Haselmayer / EyeEm / Getty Images

Specyficzne ciepło utajone ( L ) definiuje się jako kwotę energia cieplna (ciepło, Q ), która jest wchłaniana lub uwalniana, gdy ciało jest poddawane procesowi w stałej temperaturze. Równanie na ciepło właściwe utajone to:

L = Q / m

gdzie:

• L jest specyficzne ciepło utajone
• Q czy ciepło jest pochłaniane czy uwalniane?
• m jest masa substancji

Najczęstsze typy procesów w stałej temperaturze to zmiany fazowe , takich jak topienie, zamrażanie, parowanie lub kondensacja. Uważa się, że energia jest „utajona”, ponieważ jest zasadniczo ukryta w cząsteczkach, dopóki nie nastąpi zmiana fazy. Jest „specyficzny”, ponieważ wyrażany jest w postaci energii na jednostkę masy. Najczęstsze jednostki specyficznego ciepła utajonego to dżule na gram (J/g) i kilodżuli na kilogram (kJ/kg).

Specyficzne ciepło utajone jest intensywna właściwość materii . Jego wartość nie zależy od wielkości próbki ani miejsca, w którym próbka jest pobierana.

Historia

Brytyjski chemik Joseph Black wprowadził pojęcie ciepła utajonego gdzieś w latach 1750-1762. Producenci szkockiej whisky zatrudnili Blacka do określenia najlepszej mieszanki paliwa i wody dla destylacja oraz do badania zmian objętości i ciśnienia w stałej temperaturze. Zastosowano czarny kalorymetria dla swoich badań i zarejestrował wartości ciepła utajonego.

Angielski fizyk James Prescott Joule opisał ciepło utajone jako forma energii potencjalnej . Joule uważał, że energia zależy od specyficznej konfiguracji cząstek w substancji. W rzeczywistości to orientacja atomów w cząsteczce, ich wiązania chemiczne i ich polarność wpływają na ciepło utajone.

Rodzaje przenikania ciepła utajonego

Ciepło utajone i ciepło jawne to dwa rodzaje wymiany ciepła między obiektem a jego otoczeniem. Zestawiono tabele dla utajonego ciepła topnienia i utajonego ciepła parowania. Ciepło jawne z kolei zależy od budowy ciała.

Utajone ciepło fuzji: Utajony ciepło topnienia to ciepło pochłaniane lub uwalniane, gdy materia topi się, zmieniając fazę z postaci stałej na płynną w stałej temperaturze. Utajone ciepło parowania: Utajone ciepło parowania to ciepło pochłaniane lub uwalniane, gdy materia odparowuje, zmieniając fazę z fazy ciekłej w fazę gazową w stałej temperaturze. Ciepło jawne: Chociaż ciepło jawne jest często nazywane ciepłem utajonym, nie jest to sytuacja o stałej temperaturze, ani nie jest związana ze zmianą fazy. Ciepło jawne odzwierciedla wymianę ciepła między materią a jej otoczeniem. Jest to ciepło, które można „odczuć” jako zmianę temperatury obiektu.

Tabela konkretnych wartości ciepła utajonego

Jest to tabela specyficznego ciepła utajonego (SLH) fuzji i waporyzacji dla typowych materiałów. Zwróć uwagę na wyjątkowo wysokie wartości amoniaku i wody w porównaniu z cząsteczkami niepolarnymi.

Materiał	Temperatura topnienia (°C)	Temperatura wrzenia (°C)	SLH z Fusion kJ/kg	SLH waporyzacji kJ/kg
Amoniak	-77,74	−33,34	332,17	1369
Dwutlenek węgla	−78	−57	184	574
Alkohol etylowy	-114	78,3	108	855
Wodór	-259	-253	58	455
Prowadzić	327,5	1750	23,0	871
Azot	−210	−196	25,7	200
Tlen	-219	−183	13,9	213
Czynnik chłodniczy R134A	−101	-26.6	—	215,9
Toluen	−93	110,6	72,1	351
Woda	0	100	334	2264,705

Ciepło jawne i meteorologia

Podczas gdy w fizyce i chemii wykorzystuje się utajone ciepło syntezy i parowania, meteorolodzy biorą również pod uwagę ciepło jawne. Kiedy ciepło utajone jest pochłaniane lub uwalniane, powoduje niestabilność atmosfery, potencjalnie powodując niesprzyjające warunki pogodowe. Zmiana ciepła utajonego zmienia temperaturę obiektów w kontakcie z cieplejszym lub chłodniejszym powietrzem. Zarówno ciepło utajone, jak i jawne powodują ruch powietrza, wytwarzając wiatr i pionowy ruch mas powietrza.

Przykłady ciepła utajonego i jawnego

Życie codzienne wypełnione jest przykładami ciepła utajonego i jawnego:

• Zagotowanie wody na kuchence następuje, gdy energia cieplna z elementu grzejnego jest przekazywana do garnka, a następnie do wody. Gdy dostarczona zostanie wystarczająca ilość energii, ciekła woda rozszerza się, tworząc parę wodną i woda wrze. Gdy woda się zagotuje, uwalniana jest ogromna ilość energii. Ponieważ woda ma tak wysokie ciepło parowania, łatwo o spalenie parą.
• Podobnie znaczna energia musi zostać pochłonięta, aby zamienić ciekłą wodę w lód w zamrażarce. Zamrażarka usuwa energię cieplną, umożliwiając zajście przemiany fazowej. Woda ma wysokie utajone ciepło topnienia, więc przekształcenie wody w lód wymaga usunięcia większej ilości energii niż zamrażanie ciekłego tlenu w stały tlen na jednostkę grama.
• Utajone ciepło powoduje nasilenie huraganów. Powietrze nagrzewa się, gdy przechodzi przez ciepłą wodę i zbiera parę wodną. Gdy para skrapla się, tworząc chmury, do atmosfery uwalniane jest utajone ciepło. To dodatkowe ciepło ogrzewa powietrze, powodując niestabilność i pomagając wznieść się chmurom i nasilać burzę.
• Ciepło jawne jest uwalniane, gdy gleba pochłania energię światła słonecznego i staje się cieplejsza.
• Na chłodzenie przez pot wpływa ciepło utajone i jawne. Gdy jest bryza, chłodzenie wyparne jest bardzo skuteczne. Ciepło jest rozpraszane z dala od ciała ze względu na wysokie utajone ciepło parowania wody. Dużo trudniej jednak ochłodzić się w miejscu nasłonecznionym niż w zacienionym, ponieważ ciepło jawne z wchłoniętego światła konkuruje z efektem parowania.

Źródła

• Bryan, G.H. (1907). Termodynamika. Traktat wprowadzający dotyczący głównie pierwszych zasad i ich bezpośredniego zastosowania . B.G. Teubnera, Lipsk.
• Clark, John, O.E. (2004). Podstawowy słownik nauki . Książki Barnesa i szlachty. ISBN 0-7607-4616-8.
• Maxwell, JC (1872). Teoria ciepła , trzecia edycja. Longmans, Green and Co., Londyn, s. 73.
• Perrot, Pierre (1998). A do Z termodynamiki . Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6.