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änderung des aggregatzustands

Es gibt drei Zustände/Phasen von Materie, nämlich fest, flüssig und gasförmig. Dieselbe Materie kann in allen drei Phasen unter verschiedenen Temperatur- und Druckbedingungen existieren. Zum Beispiel wird Eis (fest) bei 0°C beim Erhitzen zu Wasser (flüssig) bei 0°C, das sich bei weiterer Erwärmung bei 100°C in Dampf (Gas) umwandelt. So findet sich bei einem Atmosphärendruck Wasser in allen drei Phasen bei unterschiedlichen Temperaturen.

Den Vorgang des Wechsels von einem Zustand in einen anderen bei konstanter Temperatur nennt man Phasenwechsel . Es wird aufgrund des Wärmeaustausches gebracht.
Der Übergang vom festen zum flüssigen Zustand wird als Schmelzen bezeichnet, während der umgekehrte Übergang vom flüssigen zum festen Zustand als Gefrieren bezeichnet wird. Der Übergang von Flüssigkeit zu Dampf wird als Verdampfung bezeichnet, während der umgekehrte Übergang von Gas zu Flüssigkeit als Kondensation (oder Verflüssigung) bezeichnet wird. Der direkte Übergang von fest zu dampfförmig wird Sublimation genannt und der umgekehrte Übergang von dampfförmig zu fest wird als Ablagerung bezeichnet.

SCHMELZEN UND EINFRIEREN

Der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand durch Wärmeaufnahme bei konstanter Temperatur wird als Schmelzen bezeichnet. Der Konstante Temperatur, bei der ein Festkörper flüssig wird, wird als Schmelzpunkt des Festkörpers bezeichnet. Der umgekehrte Übergang von der flüssigen in die feste Phase unter Freisetzung von Wärme bei konstanter Temperatur wird als Gefrieren bezeichnet und die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit zu einem Feststoff gefriert, wird als Gefrierpunkt bezeichnet. Wärmeenergie wird beim Schmelzen aufgenommen und beim Gefrieren bei konstanter Temperatur abgegeben.

Die Erwärmungskurve des Eises beim Schmelzen

Sehen Sie sich die Grafik oben an. Die Temperatur des Eises bleibt im Teil AB konstant gleich 0 °C, bis das gesamte Eis schmilzt. Die während dieser Zeit zugeführte Wärme wird zum Schmelzen des Eises verwendet. Danach beginnt die Temperatur des durch schmelzendes Eis gebildeten Wassers von 0 °C (Teil BC) zu steigen.

VERDAMPFUNG ODER SIEDEN

Der Übergang von der flüssigen in die gasförmige (oder dampfförmige) Phase bei Wärmeaufnahme bei konstanter Temperatur wird als Verdampfung bezeichnet. Die bestimmte Temperatur, bei der die Verdampfung auftritt, wird als Siedepunkt der Flüssigkeit bezeichnet. In ähnlicher Weise wird der Übergang von der Dampf- zur Flüssigphase bei der Freisetzung von Wärme bei konstanter Temperatur als Kondensation bezeichnet, und die bestimmte Temperatur, bei der die Kondensation auftritt, wird als Kondensationspunkt von Dampf bezeichnet.
Beim Verdampfen wird bei konstanter Temperatur Wärmeenergie aufgenommen, während beim Kondensieren bei dieser Temperatur für die gleiche Masse des Stoffes die gleiche Menge Wärmeenergie freigesetzt wird.

Die Heizkurve von Wasser

Am Punkt A hat Wasser Raumtemperatur (20°C) und dann steigt mit der Aufnahme von Wärmeenergie die Temperatur des Wassers im Teil AB, wo es sich im flüssigen Zustand befindet, kontinuierlich an. Am Punkt B beginnt das Sieden und die Temperatur steigt im Teil BC nicht weiter an, die Wärmeenergie wird kontinuierlich absorbiert und stellt das Sieden von Wasser dar, wobei B der Siedepunkt von Wasser ist.

Warum fügen wir beim Kochen von Hülsenfrüchten Salz hinzu? Dies beruht darauf, dass die Zugabe von Verunreinigungen den Siedepunkt von Wasser erhöht. Wir fügen Salz hinzu, während Hülsenfrüchte gekocht werden, das Wasser liefert dann ausreichend Wärmeenergie an seinen Inhalt, bevor es kocht, und so wird das Kochen einfacher und schneller. Warum dauert das Kochen in den Bergen länger als in der Ebene? Dies beruht darauf, dass der Siedepunkt mit abnehmendem Druck sinkt. In großen Höhen wie Hügeln oder Bergen ist der atmosphärische Druck niedrig, daher kocht das Wasser an diesen Orten bei einer Temperatur von weniger als 100 °C und liefert daher nicht die zum Kochen erforderliche Wärmeenergie an seinen Inhalt. Daher dauert das Kochen an solchen Orten viel länger.

LATENTWÄRME UND SPEZIFISCHE LATENTWÄRME

Beim Phasenwechsel eines Stoffes, der bei konstanter Temperatur stattfindet, wird eine erhebliche Menge an Wärmeenergie aufgenommen bzw. freigesetzt.   Da sich die bei einem Phasenwechsel aufgenommene oder freigesetzte Wärmeenergie nicht durch einen Temperaturanstieg oder -abfall nach außen manifestiert, spricht man von latenter Wärme.
Latente Wärme, ausgedrückt für eine Masseneinheit eines Stoffes, wird als spezifische latente Wärme bezeichnet und mit dem Symbol L bezeichnet.

Die SI-Einheit der spezifischen latenten Wärme ist J kg ^-1 , andere gebräuchliche Einheiten sind cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

Die Schmelzwärme ist die Wärmeenergie, die entzogen werden muss, um eine bestimmte Masse oder Menge eines Fluids zu verfestigen, oder zugeführt werden muss, um eine bestimmte Masse oder Menge eines Feststoffs zu schmelzen. Sie wird auch als latente Schmelzwärme bezeichnet. Latente Verdampfungswärme ist die Wärme, die verbraucht oder abgegeben wird, wenn Materie zerfällt und bei einer konstanten Temperatur ihren Zustand vom flüssigen in den gasförmigen Zustand ändert.
Die spezifische latente Schmelzwärme von Eis ist die Wärmeenergie, die erforderlich ist, um eine Masseneinheit Eis bei 0 °C ohne Temperaturänderung zu Wasser bei 0 °C zu schmelzen. Spezifische latente Gefrierwärme von Eis ist die Wärmeenergie, die freigesetzt/freigesetzt wird, wenn eine Einheitsmasse Wasser bei 0 °C ohne Temperaturänderung zu Eis bei 0 °C gefriert. Für Eis beträgt die spezifische latente Schmelzwärme 336000 J kg ^-1 , was bedeutet, dass 1 kg Eis bei 0 °C 336000 J Wärmeenergie absorbiert, um sich bei 0 °C in Wasser umzuwandeln. Bei der Verdampfung ist dies die Wärmemenge (540 cal g ⁻¹ ), die erwartet wird, um 1 g Wasser in 1 g Wasserdampf umzuwandeln. Ein ähnliches Maß an Wärme wird in der Bühnenbewegung während des Aufbaus von 1 g Wasserdampf auf 1 g Wasser freigesetzt.

Erklärung der latenten Schmelzwärme anhand des kinetischen Modells
Nach dem kinetischen Modell schwingen Moleküle in einem Festkörper um ihre mittlere Position. Die Gesamtenergie eines Moleküls ist die Summe der kinetischen Energie (die von der Temperatur abhängt) aufgrund seiner Bewegung und seiner potentiellen Energie (die von der Anziehungskraft zwischen den Molekülen und dem Abstand zwischen ihnen abhängt). Wenn ein Feststoff ohne Temperaturänderung in eine Flüssigkeit übergeht, ändert sich die durchschnittliche Kinetik der Moleküle nicht, aber der Abstand zwischen den Molekülen nimmt im Durchschnitt zu. Etwas Energie ist erforderlich, um die Trennung gegen die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen zu erhöhen (dh für die Erhöhung der potentiellen Energie von Molekülen). Somit wird die beim Schmelzen zugeführte Wärmeenergie nur zur Erhöhung der potentiellen Energie der Moleküle genutzt und als latente Schmelzwärme bezeichnet.

Beispiele

• Schnee auf Bergen schmilzt nicht sofort: Eis hat nämlich eine hohe spezifische Schmelzwärme (336000 J kg ^-1 ). Es verwandelt sich langsam in Wasser, da es Wärmeenergie von der Sonne erhält. Wenn die latente Wärme niedrig gewesen wäre, wäre der gesamte Schnee in kurzer Zeit geschmolzen, wenn er Wärme von der Sonne bekommen hätte, und es hätte Überschwemmungen in den Flüssen gegeben.
• In kalten Ländern gefriert das Wasser in Seen und Teichen nicht sofort: Der Grund dafür ist, dass die spezifische Schmelzwärme von Eis ausreichend hoch ist, wodurch das Wasser in Seen und Teichen eine große Menge an Wärme abgeben muss die Umgebung vor dem Einfrieren. Die Eisschicht, die sich über der Wasseroberfläche bildet und ein schlechter Wärmeleiter ist, verhindert auch den Wärmeverlust des Seewassers, sodass es nicht auf einmal gefriert.
• Getränke werden schneller gekühlt, indem man ein Stück Eis hinzufügt als das eiskalte Wasser bei 0 °C: Denn 1 Gramm Eis bei 0 °C benötigt 336 J Wärmeenergie aus dem Getränk, um bei 0 °C im Wasser zu schmelzen C. Dadurch setzen die Getränke auf 1 Gramm Eis bei 0 °C zusätzlich 336 J Wärmeenergie frei als auf 1 Gramm eiskaltes Wasser bei 0 °C.

• Schwitzen bewirkt Abkühlung: Schwitzen ist eine lebensrettende Körperfunktion, die dabei hilft, die Körpertemperatur zu regulieren. Wenn das Wetter heiß ist oder Ihre Körpertemperatur aufgrund von Bewegung oder Fieber ansteigt, wird Schweiß durch Kanäle in Ihrer Haut freigesetzt. Es enthält 90 % Wasser. Die auf Ihrem Körper vorhandenen Schweißtropfen nutzen die Körperwärme für den Phasenübergang von Flüssigkeit zu Dampf. Dadurch entsteht ein Kühleffekt, der hilft, die Körpertemperatur zu halten und den Körper abzukühlen.
• Seien Sie immer vorsichtig, wenn Sie den Deckel eines Topfes öffnen, wenn das Wasser darin kocht: Wasser hat eine große spezifische latente Verdampfungswärme. Wenn Dampf auf der Haut Ihres Arms kondensiert, wird eine sehr große Menge latenter Wärme freigesetzt, die schwere Verbrennungen verursacht.

Frage 1: Wie viel Wärmeenergie wird benötigt, um 10 kg Eis zu schmelzen? (Spezifische latente Wärme von Eis = 336 J g ^-1 )
Lösung: m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Erforderliche Wärmeenergie = ml = 10000 × 336 = 3360000 J

Frage 2: Die Temperatur von 250 Gramm Wasser von 40 °C wird durch Zugabe von Eis auf 0 °C gesenkt. Finde die hinzugefügte Eismasse. (Die spezifische latente Wärme von Eis beträgt 336 J g ^-1 und die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Lösung: Wärmeenergie, die durch Wasser verloren geht = Wärmeenergie, die durch das Eis gewonnen wird
Der Temperaturabfall beträgt 40 − 0 = 40 °C.
Wärmeverlust durch Wasser = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Wärmegewinn durch Eis = 42000 = Eismasse × 336 ⇒ Eismasse = 42000 ∕ 336 = 125 g

Frage 3: 10125 J Wärmeenergie verdampft 4,5 g Wasser bei 100 °C zu Dampf bei 100 °C, finden Sie die latente Wärme von Dampf in SI-Einheiten.
Lösung: Latentwärme von Dampf L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg