ماده سه حالت / فاز دارد که عبارتند از جامد، مایع و گاز. یک ماده می تواند در هر سه فاز تحت شرایط مختلف دما و فشار وجود داشته باشد. به عنوان مثال، یخ (جامد) در دمای 0 درجه هنگامی که گرم می شود به آب (مایع) در دمای 0 درجه سانتی گراد تبدیل می شود که در حرارت بیشتر به بخار (گاز) در 100 درجه سانتی گراد تبدیل می شود. بنابراین در یک فشار اتمسفر، آب در هر سه فاز در دماهای مختلف یافت می شود.
فرآیند تغییر از یک حالت به حالت دیگر در دمای ثابت را تغییر فاز می گویند. به دلیل تبادل حرارت آورده شده است.
تغییر فاز جامد به مایع به عنوان ذوب شناخته می شود، در حالی که تغییر معکوس از مایع به جامد انجماد نامیده می شود. تغییر از مایع به بخار به عنوان تبخیر شناخته می شود، در حالی که تغییر معکوس از گاز به مایع را تراکم (یا مایع شدن) می گویند. تغییر مستقیم از جامد به بخار را تصعید و تغییر معکوس از بخار به جامد رسوب نامیده می شود.
تغییر فاز جامد به مایع با جذب گرما در دمای ثابت ذوب نامیده می شود. را دمای ثابتی که در آن یک جامد به مایع تبدیل می شود، نقطه ذوب جامد نامیده می شود. تغییر معکوس از فاز مایع به جامد با آزادسازی گرما در دمای ثابت را انجماد و دمای انجماد مایع به جامد را نقطه انجماد آن می نامند. انرژی گرمایی در حین ذوب جذب می شود و در هنگام انجماد در دمای ثابت دفع می شود.
منحنی گرمایش یخ در حین ذوب شدن
به نمودار بالا نگاه کنید. دمای یخ در قسمت AB برابر با 0 درجه سانتیگراد ثابت می ماند تا زمانی که کل یخ ذوب شود. گرمای ارائه شده در این مدت برای ذوب یخ استفاده می شود. پس از این، دمای آب تشکیل شده از ذوب یخ از 0 درجه سانتیگراد (قسمت قبل از میلاد) شروع به افزایش می کند.
|
تغییر فاز مایع به گاز (یا بخار) با جذب گرما در دمای ثابت را تبخیر می گویند. دمای خاصی که در آن تبخیر رخ می دهد، نقطه جوش مایع نامیده می شود. به طور مشابه، تغییر فاز بخار به مایع در هنگام آزادسازی گرما در دمای ثابت، تراکم و دمای خاصی که در آن تراکم اتفاق می‌افتد، نقطه تراکم بخار نامیده می‌شود.
انرژی گرمایی در دمای ثابت در حین تبخیر جذب می شود، در حالی که همان مقدار انرژی گرمایی در هنگام تراکم در آن دما برای همان جرم ماده آزاد می شود.
منحنی گرمایش آب
در نقطه A، آب در دمای اتاق (20 درجه سانتیگراد) قرار دارد و سپس با جذب انرژی گرمایی، دمای آب در قسمت AB که در حالت مایع است به طور مداوم افزایش می یابد. در نقطه B جوش شروع می شود و دما در قسمت قبل از میلاد بیشتر افزایش نمی یابد، انرژی گرمایی به طور مداوم جذب می شود و نشان دهنده جوشیدن آب است، B به عنوان نقطه جوش آب است.
|
 | چرا هنگام پختن حبوبات نمک اضافه می کنیم؟ چرا پختن غذا در تپه ها بیشتر از دشت ها طول می کشد؟ |
در طول تغییر فاز ماده ای که در دمای ثابت صورت می گیرد، مقدار قابل توجهی انرژی گرمایی جذب یا آزاد می شود. از آنجایی که انرژی گرمایی جذب یا آزاد شده در یک تغییر فاز به صورت خارجی با افزایش یا کاهش دما آشکار نمی شود، آن را گرمای نهان می نامند.
گرمای نهان هنگامی که برای یک واحد جرم یک ماده بیان می شود، گرمای نهان ویژه نامیده می شود و با نماد L نشان داده می شود.
گرمای نهان ویژه یک فاز مقدار انرژی گرمایی است که توسط یک واحد جرم ماده برای تغییر فاز در دمای ثابت جذب یا آزاد می شود. بنابراین، Q مقدار انرژی گرمایی جذب یا آزاد شده توسط مقدار معینی از ماده برای تغییر فازی که گرمای نهان ویژه آن L است، برابر است با |
واحد SI گرمای نهان ویژه J kg -1 است، واحدهای رایج دیگر cal g -1 هستند.
1 کالری گرم -1 = 4.2 × 10 3 J kg -1
گرمای همجوشی انرژی حرارتی است که باید برای جامد شدن یک جرم یا مقدار مشخصی از سیال خارج شود یا برای ذوب یک جرم یا مقدار معینی از جامد به آن اضافه شود. به آن گرمای نهان همجوشی نیز می گویند. گرمای نهان تبخیر ، گرمای مصرف شده یا تخلیه می‌شود که ماده متلاشی می‌شود و در دمای ثابت از حالت مایع به حالت گاز تغییر می‌کند.
گرمای نهان ویژه همجوشی یخ انرژی گرمایی مورد نیاز برای ذوب یک واحد جرم یخ در دمای صفر درجه سانتی گراد به آب در دمای صفر درجه سانتی گراد بدون تغییر دما است. گرمای نهان ویژه انجماد یخ، انرژی گرمایی آزاد/آزاد می‌شود که یک واحد جرم آب در دمای صفر درجه سانتیگراد بدون تغییر دما به یخ تبدیل شود. برای یخ، گرمای نهان خاص همجوشی 336000 J kg -1 است، به این معنی که 1 کیلوگرم یخ در دمای 0 درجه سانتیگراد، 336000 ژول انرژی گرمایی را جذب می کند تا در دمای 0 درجه سانتیگراد به آب تبدیل شود. برای تبخیر، مقدار گرمایی است (540 کالری گرم در 1 ) که انتظار می‌رود از 1 گرم آب به 1 گرم دود آب تغییر کند. اندازه‌گیری مشابهی از گرما در حرکت مرحله‌ای در طی ایجاد 1 گرم دود آب به 1 گرم آب آزاد می‌شود.
تبیین گرمای نهان همجوشی بر اساس مدل جنبشی
طبق مدل سینتیکی، مولکول‌های جامد در مورد موقعیت میانگین خود ارتعاش می‌کنند. انرژی کل یک مولکول مجموع انرژی جنبشی (که به دما بستگی دارد) ناشی از حرکت و انرژی پتانسیل آن (که به نیروی جاذبه بین مولکول ها و جدایی بین آنها بستگی دارد) است. وقتی جامد بدون تغییر دما به مایع تبدیل می شود، میانگین سینتیک مولکول ها تغییر نمی کند، اما جدایی بین مولکول ها به طور متوسط افزایش می یابد. مقداری انرژی برای افزایش جدایی در برابر نیروهای جاذبه بین مولکول ها (به عنوان مثال، برای افزایش انرژی پتانسیل مولکول ها) مورد نیاز است. بنابراین انرژی گرمایی تامین شده در حین ذوب فقط برای افزایش انرژی پتانسیل مولکول ها استفاده می شود و گرمای نهان ذوب نامیده می شود.
| ماده | گرمای نهان خاص همجوشی در J/g | گرمای نهان ویژه تبخیر در J/g |
| سیاره تیر | 11.6 | 295 |
| اهن | 209 | 6340 |
| سدیم | 113 | 4237 |
| یخ | 336 | 2260 |
مثال ها
سوال 1: برای ذوب 10 کیلوگرم یخ چقدر انرژی گرمایی لازم است؟ (گرمای نهان ویژه یخ = 336 Jg -1 )
محلول: m = 10 کیلوگرم، L = 336 J g -1
انرژی حرارتی مورد نیاز = میلی لیتر = 10000 × 336 = 3360000 ژول
سوال 2: دمای 250 گرم آب در دمای 40 درجه سانتیگراد با افزودن یخ به آن به صفر درجه سانتیگراد کاهش می یابد. توده یخ اضافه شده را پیدا کنید. (یخ گرمای نهان ویژه 336 Jg -1 و ظرفیت گرمایی ویژه آب 4.2 Jg -1 K -1 است)
راه حل: انرژی گرمایی از دست رفته توسط آب = انرژی گرمایی به دست آمده توسط یخ
کاهش دما 40-0 = 40 درجه سانتیگراد است.
گرمای از دست رفته توسط آب = m⋅c⋅Δt = 250 × 4.2 × 40 = 42000 J
گرمای به دست آمده توسط یخ = 42000 = جرم یخ × 336 ⇒ جرم یخ = 42000 ∕ 336 = 125 گرم
سوال 3: 10125 ژول انرژی گرمایی 4.5 گرم آب را در 100 درجه سانتیگراد می جوشاند تا در 100 درجه سانتیگراد بخار شود، گرمای نهان بخار را در واحدهای SI پیدا کنید.
راه حل: گرمای نهان بخار L = 10125 J ∕ (4.5 × 10 -3 ) کیلوگرم = 2250 × 10 3 J∕kg
