Back to the topics list

verandering in de toestand van de zaak

Er zijn drie toestanden / fasen van materie, namelijk vast, vloeibaar en gas. Dezelfde materie kan in alle drie de fasen bestaan onder verschillende omstandigheden van temperatuur en druk. Zo wordt ijs (vast) bij 0° bij verhitting water (vloeistof) bij 0°C, dat bij verdere verhitting verandert in stoom (gas) bij 100°C. Dus bij één atmosferische druk wordt water in alle drie de fasen bij verschillende temperaturen aangetroffen.

Het proces van verandering van de ene toestand naar de andere bij een constante temperatuur wordt de verandering van fase genoemd. Het wordt gebracht door de uitwisseling van warmte.
De verandering van vaste naar vloeibare fase staat bekend als smelten , terwijl de omgekeerde verandering van vloeistof naar vaste stof bevriezing wordt genoemd. De verandering van vloeistof naar damp staat bekend als verdamping, terwijl de omgekeerde verandering van gas naar vloeistof condensatie (of liquefactie) wordt genoemd. De directe verandering van vaste stof naar damp wordt sublimatie genoemd en de omgekeerde verandering van damp naar vaste stof wordt depositie genoemd.

SMELTEN EN BEVRIEZEN

De verandering van vaste naar vloeibare fase door absorptie van warmte bij een constante temperatuur wordt smelten genoemd. De constante temperatuur waarbij een vaste stof vloeibaar wordt, wordt het smeltpunt van de vaste stof genoemd. De omgekeerde verandering van vloeibare naar vaste fase met het vrijkomen van warmte bij een constante temperatuur wordt bevriezing genoemd en de temperatuur waarbij een vloeistof bevriest tot vaste stof wordt het vriespunt genoemd. Warmte-energie wordt geabsorbeerd tijdens het smelten en wordt afgestoten tijdens het bevriezen bij een constante temperatuur.

De verwarmingscurve van ijs tijdens het smelten

Kijk naar de grafiek hierboven. De temperatuur van ijs blijft constant gelijk aan 0 °C in deel AB totdat het hele ijs smelt. De warmte die gedurende deze tijd wordt geleverd, wordt gebruikt om het ijs te smelten. Hierna begint de temperatuur van water gevormd door smeltend ijs te stijgen vanaf 0 °C (deel BC).

VERDAMPEN OF KOKEN

De verandering van vloeistof naar gas (of damp) fase bij de absorptie van warmte bij een constante temperatuur wordt verdamping genoemd. De specifieke temperatuur waarbij verdamping optreedt, wordt het kookpunt van de vloeistof genoemd. Evenzo wordt de verandering van damp naar vloeistoffase bij het vrijkomen van warmte bij een constante temperatuur condensatie genoemd en de specifieke temperatuur waarbij de condensatie optreedt, wordt het condensatiepunt van damp genoemd.
Tijdens verdamping wordt warmte-energie geabsorbeerd bij een constante temperatuur, terwijl dezelfde hoeveelheid warmte-energie vrijkomt tijdens condensatie bij die temperatuur voor dezelfde massa van de stof.

De verwarmingscurve van water

Op punt A is het water op kamertemperatuur (20°C) en dan met de absorptie van warmte-energie stijgt de temperatuur van het water continu in het deel AB waar het zich in vloeibare toestand bevindt. Op punt B begint het koken en de temperatuur stijgt niet verder in deel BC, de warmte-energie wordt continu geabsorbeerd en vertegenwoordigt het koken van water, zijnde B als het kookpunt van water.

Waarom voegen we zout toe tijdens het koken van peulvruchten? Dit is gebaseerd op het feit dat het toevoegen van onzuiverheden het kookpunt van water verhoogt. We voegen zout toe tijdens het koken, het water geeft dan voldoende warmte-energie aan de inhoud voordat het kookt en zo wordt het koken gemakkelijker en sneller. Waarom duurt het koken in de heuvels langer dan op de vlaktes? Dit is gebaseerd op het feit dat het kookpunt afneemt met een afname van de druk. Op grote hoogte, zoals heuvels of bergen, is de atmosferische druk laag, daarom kookt water op deze plaatsen bij een temperatuur lager dan 100 °C en levert het dus niet de benodigde warmte-energie voor de inhoud om te koken. Op dergelijke plaatsen duurt het koken dus veel langer.

LATENTE WARMTE EN SPECIFIEKE LATENTE WARMTE

Tijdens de faseverandering van een stof, die plaatsvindt bij een constante temperatuur, wordt een aanzienlijke hoeveelheid warmte-energie geabsorbeerd of vrijgegeven.   Aangezien de warmte-energie die wordt geabsorbeerd of vrijkomt bij een faseverandering, niet extern wordt gemanifesteerd door enige stijging of daling van de temperatuur, wordt dit latente warmte genoemd.
Latente warmte, uitgedrukt voor een massa-eenheid van een stof, wordt specifieke latente warmte genoemd en wordt aangeduid met het symbool L.

De SI-eenheid van specifieke latente warmte is J kg ^-1 , andere gangbare eenheden zijn cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

De smeltwarmte is de thermische energie die moet worden onttrokken om een bepaalde massa of hoeveelheid vloeistof te laten stollen of die moet worden toegevoegd om een bepaalde massa of hoeveelheid vaste stof te smelten. Het wordt ook wel de latente smeltwarmte genoemd. Latente verdampingswarmte is de warmte die wordt verbruikt of afgevoerd wanneer materie uiteenvalt en bij een constante temperatuur van vloeibare naar gasvormige toestand verandert.
Specifieke latente smeltwarmte van ijs is de warmte-energie die nodig is om een eenheidsmassa ijs bij 0 °C te smelten tot water bij 0 °C zonder enige verandering in temperatuur. De specifieke latente warmte van het bevriezen van ijs is de warmte-energie die vrijkomt/vrijkomt wanneer een massa-eenheid water bij 0 °C bevriest tot ijs bij 0 °C zonder enige verandering in temperatuur. Voor ijs is de specifieke latente smeltwarmte 336.000 J kg ^-1 , wat betekent dat 1 kg ijs bij 0 °C 336.000 J warmte-energie absorbeert om om te zetten in water bij 0 °C. Voor verdamping is dit de hoeveelheid warmte (540 cal g ⁻¹ ) die naar verwachting over 1 g water zal veranderen in 1 g waterdamp. Een vergelijkbare hoeveelheid warmte komt vrij tijdens de verplaatsing van het podium tijdens de opbouw van 1 g waterdamp tot 1 g water.

Verklaring latente smeltwarmte op basis van het kinetisch model
Volgens het kinetische model trillen moleculen in een vaste stof rond hun gemiddelde positie. De totale energie van een molecuul is de som van de kinetische energie (die afhangt van de temperatuur) als gevolg van zijn beweging en zijn potentiële energie (die afhangt van de aantrekkingskracht tussen de moleculen en de scheiding ertussen). Wanneer vaste stof overgaat in vloeistof zonder verandering in temperatuur, verandert de gemiddelde kinetiek van de moleculen niet, maar neemt de scheiding tussen de moleculen gemiddeld toe. Er is wat energie nodig om de scheiding tegen de aantrekkende krachten tussen de moleculen te vergroten (dwz voor de toename van de potentiële energie van moleculen). De warmte-energie die tijdens het smelten wordt geleverd, wordt dus alleen gebruikt om de potentiële energie van de moleculen te vergroten en wordt de latente smeltwarmte genoemd.

Voorbeelden

• Sneeuw op bergen smelt niet in één keer: de reden is dat ijs een hoge specifieke latente smeltwarmte heeft (336000 J kg ^-1 ). Het verandert langzaam in water omdat het warmte-energie van de zon krijgt. Als de latente warmte laag zou zijn geweest, zou alle sneeuw in korte tijd zijn gesmolten door de warmte van de zon en zouden er overstromingen in de rivieren zijn.
• In koude landen bevriest het water in meren en vijvers niet ineens: de reden is dat de specifieke latente smeltwarmte van ijs voldoende hoog is, waardoor het water in meren en vijvers een grote hoeveelheid warmte zal moeten afgeven om de omgeving vóór het invriezen. De ijslaag die zich over het wateroppervlak vormt, is een slechte warmtegeleider en voorkomt ook het warmteverlies van het water van het meer, waardoor het niet in één keer bevriest.
• Drankjes worden sneller gekoeld door een stuk ijs toe te voegen dan het ijskoude water van 0 °C: dit komt omdat 1 gram ijs van 0 °C 336 J warmte-energie van de drank nodig heeft om in het water van 0 °C te smelten C. Hierdoor maken de drankjes 336 J extra warmte-energie vrij voor 1 gram ijs van 0 °C dan voor 1 gram ijskoud water van 0 °C.

• Zweten veroorzaakt afkoeling: zweten is een levensreddende lichaamsfunctie die helpt bij het reguleren van uw lichaamstemperatuur. Als het warm weer is of uw lichaamstemperatuur stijgt als gevolg van inspanning of koorts, wordt het zweet afgevoerd via kanalen in uw huid. Het bevat 90% water. De op je lichaam aanwezige zweetdruppels gebruiken de warmte van het lichaam voor de faseovergang van vloeistof naar damp. Dit resulteert in een verkoelend effect dat helpt de lichaamstemperatuur op peil te houden en het lichaam af te koelen.
• Wees altijd voorzichtig bij het openen van het deksel van een pan wanneer het water erin kookt: water heeft een grote specifieke latente verdampingswarmte. Wanneer stoom condenseert op de huid van uw arm, komt er een zeer grote hoeveelheid latente warmte vrij, die ernstige brandwonden veroorzaakt.

Vraag 1: Hoeveel warmte-energie is er nodig om 10 kg ijs te smelten? (Specifieke latente warmte van ijs = 336 J g ^-1 )
Oplossing: m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Vereiste warmte-energie = ml = 10000 × 336 = 3360000 J

Vraag 2: De temperatuur van 250 gram water van 40 °C wordt verlaagd tot 0 °C door er ijs aan toe te voegen. Zoek de toegevoegde ijsmassa. (Specifieke latente warmte ijs is 336 J g ^-1 en de specifieke warmtecapaciteit van water is 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Oplossing: Warmte-energie verloren door water = warmte-energie gewonnen door het ijs
De temperatuurdaling is 40 − 0 = 40 °C.
Warmteverlies door water = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Warmte gewonnen door ijs = 42000 = massa ijs × 336 ⇒ massa ijs = 42000 ∕ 336 = 125 g

Vraag 3: 10125J aan warmte-energie verdampt 4,5 g water van 100°C tot stoom van 100°C, bereken de latente warmte van stoom in SI-eenheden.
Oplossing: latente stoomwarmte L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg