Back to the topics list

förändring i materiens tillstånd

Det finns tre tillstånd/faser av materia, nämligen fast, flytande och gas. Samma sak kan existera i alla tre faserna under olika temperatur- och tryckförhållanden. Till exempel blir is (fast) vid 0° vid upphettning till vatten (flytande) vid 0°C, som vid ytterligare uppvärmning övergår till ånga (gas) vid 100°C. Vid ett atmosfärstryck finns alltså vatten i alla tre faserna vid olika temperaturer.

Processen att byta från ett tillstånd till ett annat vid en konstant temperatur kallas för fasändring . Det förs på grund av värmeutbytet.
Förändringen från fast till flytande fas kallas smältning , medan omkastningen från flytande till fast fas kallas frysning. Förändringen från vätska till ånga är känd som förångning, medan den omvända förändringen från gas till vätska kallas kondensation (eller kondensation). Den direkta förändringen från fast substans till ånga kallas sublimering och den omvända förändringen från ånga till fast substans kallas deposition.

SMÄLTNING OCH FRYSNING

Förändringen av fast till flytande fas genom absorption av värme vid en konstant temperatur kallas smältning. De konstant temperatur vid vilken ett fast ämne övergår till vätska kallas smältpunkten för det fasta ämnet. Den omvända förändringen från flytande till fast fas med frigöring av värme vid en konstant temperatur kallas frysning och temperaturen vid vilken en vätska fryser till fast fas kallas dess fryspunkt. Värmeenergi absorberas under smältning och den kasseras under frysning vid konstant temperatur.

Isens värmekurva under smältning

Titta på grafen ovan. Temperaturen på isen förblir konstant lika med 0 °C i del AB tills hela isen smälter. Värmen som tillförs under denna tid används för att smälta isen. Efter detta börjar temperaturen på vatten som bildas av smältande is att stiga från 0 °C (del BC).

FÖRGUNGNING ELLER KOKNING

Förändringen från vätske- till gasfas (eller ånga) vid absorption av värme vid en konstant temperatur kallas förångning. Den speciella temperatur vid vilken förångning sker kallas vätskans kokpunkt. På liknande sätt kallas förändringen från ånga till vätskefas vid frigöring av värme vid en konstant temperatur kondensation och den speciella temperatur vid vilken kondensationen sker kallas kondensationspunkten för ånga.
Värmeenergi absorberas vid en konstant temperatur under förångning, medan samma mängd värmeenergi frigörs vid kondensation vid den temperaturen för samma massa av ämnet.

Värmekurvan för vatten

Vid punkt A har vattnet rumstemperatur (20°C) och sedan med absorption av värmeenergi stiger vattnets temperatur kontinuerligt i delen AB där det är i flytande tillstånd. Vid punkt B börjar kokningen och temperaturen stiger inte ytterligare i del BC, värmeenergin absorberas kontinuerligt och representerar kokning av vatten, vilket är B som kokpunkt för vatten.

Varför tillsätter vi salt när vi lagar baljväxter? Detta är baserat på det faktum att tillsats av föroreningar ökar kokpunkten för vattnet. Vi tillsätter salt medan vi kokar pulser, vattnet ger alltså tillräckligt med värmeenergi till sitt innehåll innan det kokar och så blir tillagningen enklare och snabbare. Varför tar det längre tid att laga mat i bergen än på slätten? Detta är baserat på att kokpunkten sjunker med en minskning av trycket. På höga höjder som kullar eller berg är atmosfärstrycket lågt, därför kokar vattnet på dessa platser vid en temperatur som är lägre än 100 °C och därför ger det inte den erforderliga värmeenergin till sitt innehåll för matlagning. Alltså tar matlagning mycket längre tid på sådana ställen.

LATENT VÄRME OCH SPECIFIK LATENT VÄRME

Under fasbytet av ett ämne som sker vid konstant temperatur absorberas eller frigörs en betydande mängd värmeenergi.   Eftersom värmeenergin som absorberas eller frigörs i en fasförändring inte externt manifesteras av någon temperaturhöjning eller temperaturfall, kallas det latent värme.
Latent värme, när det uttrycks för en massaenhet av ett ämne, kallas specifik latent värme och betecknas med symbolen L.

SI-enheten för specifik latent värme är J kg ^-1 , andra vanliga enheter är cal g ^-1 .
1 kal g ^-1 = 4,2 x ¹⁰³ J kg ^-1

Smältvärmen är den termiska energin som måste tas ut för att stelna en viss massa eller mängd vätska eller tillsättas för att smälta en viss massa eller kvantitet fast. Det kallas också den latenta fusionsvärmen. Latent förångningsvärme är den värme som förbrukas eller släpps ut när materia sönderfaller och ändrar tillstånd från flytande till gastillstånd vid en konstant temperatur.
Specifik latent smältvärme av is är den värmeenergi som krävs för att smälta en enhetsmassa av is vid 0 °C till vatten vid 0 °C utan någon förändring i temperaturen. Specifik latent frysvärme av is är den värmeenergi som frigörs/frigörs när en enhetsmassa av vatten vid 0 °C fryser till is vid 0 °C utan någon förändring i temperaturen. För is är det specifika latenta smältvärmet 336000 J kg ^-1 , vilket betyder att 1 kg is vid 0 °C absorberar 336000 J värmeenergi för att omvandlas till vatten vid 0 °C. För förångning är det mängden värme (540 cal g ⁻¹ ) som förväntas förändras över 1 g vatten till 1 g vattenrök. Ett liknande mått på värme frigörs i stegrörelsen under uppbyggnaden av 1 g vattenrök till 1 g vatten.

Förklaring av latent fusionsvärme utifrån den kinetiska modellen
Enligt den kinetiska modellen vibrerar molekyler i ett fast ämne runt sin medelposition. En molekyls totala energi är summan av den kinetiska energin (som beror på temperaturen) på grund av dess rörelse och dess potentiella energi (som beror på attraktionskraften mellan molekylerna och separationen mellan dem). När fast substans ändras till vätska utan att temperaturen ändras, förändras inte molekylernas genomsnittliga kinetik utan separationen mellan molekylerna ökar i genomsnitt. En del energi krävs för att öka separationen mot attraktionskrafterna mellan molekylerna (dvs. för ökningen av molekylernas potentiella energi). Således används värmeenergin som tillförs under smältning endast för att öka den potentiella energin hos molekylerna och kallas det latenta smältvärmet.

Exempel

• Snö på berg smälter inte på en gång: Orsaken är att is har en hög specifik latent smältvärme (336000 J kg ^-1 ). Det ändras långsamt till vatten när det får värmeenergi från solen. Om den latenta värmen hade varit låg skulle all snö ha smält på kort tid när den fick värme från solen och det skulle bli översvämningar i floderna.
• I kalla länder fryser inte vattnet i sjöar och dammar på en gång: Orsaken är att den specifika latenta fusionsvärmen för is är tillräckligt hög, vilket gör att vattnet i sjöar och dammar måste frigöra en stor mängd värme för att omgivningen innan frysning. Isskiktet som bildas över vattenytan och är en dålig värmeledare kommer också att förhindra värmeförlusten från sjöns vatten och därför fryser det inte allt på en gång.
• Drycker kyls snabbare genom att tillsätta en isbit än det iskalla vattnet vid 0 °C: Detta beror på att 1 gram is vid 0 °C tar 336 J värmeenergi från drycken för att smälta ner i vattnet vid 0 °C C. Detta frigör dryckerna ytterligare 336 J värmeenergi till 1 gram is vid 0 °C, än till 1 gram iskallt vatten vid 0 °C.

• Svettning orsakar kylning: Svettning är en livräddande kroppsfunktion som hjälper till att reglera din kroppstemperatur. När vädret är varmt eller din kroppstemperatur stiger på grund av träning eller feber frigörs svett genom kanaler i huden. Den innehåller 90% vatten. De svettdroppar som finns på din kropp använder kroppens värme för fasövergången från vätska till ånga. Detta resulterar i en kylande effekt som hjälper till att hålla kroppstemperaturen och kyler ner kroppen.
• Var alltid försiktig när du öppnar locket på en gryta när vattnet i den kokar: Vatten har en stor specifik latent förångningsvärme. När ånga kondenserar på huden på din arm frigörs en mycket stor mängd latent värme, vilket orsakar allvarliga brännskador.

Fråga 1: Hur mycket värmeenergi krävs för att smälta 10 kg is? (Specifik latent isvärme = 336 J g ^-1 )
Lösning: m = 10 kg, L = 336 Jg ^-1
Värmeenergi som krävs = mL = 10000 × 336 = 3360000 J

Fråga 2: Temperaturen på 250 gram vatten vid 40 °C sänks till 0 °C genom att tillsätta is. Hitta massan av tillsatt is. (Specifik latent värmeis är 336 J g ^-1 och den specifika värmekapaciteten för vatten är 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Lösning: Värmeenergi förlorad av vatten = värmeenergi som isen vinner
Temperaturfallet är 40 − 0 = 40 °C.
Värmeförlust av vatten = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Värme som erhålls av is = 42000 = massa av is × 336 ⇒ massa av is = 42000 ∕ 336 = 125 g

Fråga 3: 10125J värmeenergi kokar bort 4,5g vatten vid 100°c till ånga vid 100°c, hitta den latenta värmen av ånga i SI-enheter.
Lösning: Latent ångvärme L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg