I.16.2.6. Călduri latente
Trecerea substanței dintr-o stare de agregare în alta se face cu absorbție sau cedare de căldură.
Căldura absorbită sau cedată de o substanță pe parcursul unui fenomen cu schimbarea stării de agregare, care determină numai variația energiei potențiale a moleculelor se numește căldură latentă.
Ca să înțelegem noțiunea de căldură latentă trebuie să vedem ce se întâmplă în interiorul substanței care se transformă dintr-o stare de agregare în alta. Am ales topirea.
Explicația topirii unei substanțe:
În stare solidă particulele au energie potențială minimă și distanțe intermoleculare foarte mici.
Topirea se produce la temperatură constantă și prin urmare, energia cinetică este constantă (energia cinetică –de mișcare a particulelor– este funcție de temperatură).
Atunci ce face solidul cu căldura absorbită dacă temperatura lui nu se modifică ?
Ei bine căldura absorbită duce numai la creșterea energiei potențiale a moleculelor, care va conduce la creșterea distanțelor intermoleculare și trecerea solidului în lichid.
Qlatentă = m·ʌ
Qlatentă = căldura latentă, adică căldura absorbită (cedată) de o substanță pe parcursul schimbării stării de agregare (în joule = J)
m = masa substanței (în kg)
ʌ = căldura latentă specifică (constantă de material și o luăm din tabel).
Se măsoară în J / kg.
Se notează cu litera grecească lambda (ʌ).
a) Căldurile latente specifice sunt de două feluri:
- de topire = ʌt și
- de vaporizare (fierbere) = ʌv
b) Pentru aceeași substanță:
ʌt = ʌs și ʌv = ʌc dar, ʌt ≠ ʌv .
De exemplu pentru apă:
- avem căldura latentă specifică de topire: ʌt = 334000 J/kg
- avem căldura latentă specifică de vaporizare: ʌv = 2260000 J/kg
1. Ce căldură absoarbe 100g de gheață de la temperatura de (-20)°C până la vaporizarea completă?
Se dă: cg = 2090J/kgK, ca = 4200J/kgK, ʌt = 334000J/kg , ʌv = 2260000J/kg, tt = 0 °C și tf = 100 °C.
Rezolvare
Scriem datele problemei:
m = 100g = 0,1kg
t1 = -20°C
tt = 0°C
tf = 100°C
cg = 2090 J/kgK
ca = 4185J/kgK
ʌt = 334000 J/kg
ʌv = 2260000 J/kg
Scriem fenomenele suferite de gheață și aplicăm formulele corespunzătoare pentru căldura absorbită, în fiecare caz :
a)Încălzirea gheții de la (-20)°C până la 0°C:
Q1 = m ∙ cg ∙ Δt1 = 0,1kg ∙ 2090J/kgK ∙ [0-(-20)] K = 0,1 ∙ 2090 ∙ 20 = 4180 J
b) Topirea gheții la t = ct. = 0 °C: fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente:
Q2 = Qlatentă topire = m · ʌt = 0,1kg ∙ 334000 J/kg = 33400 J
c) Încălzirea apei de la 0°C până la 100°C:
Q3 = m ∙ ca ∙ Δt2 = 0,1kg ∙ 4185J/kgK ∙ (100-0) K = 0,1 ∙ 4185 ∙ 100 = 41850 J
d) Fierberea(vaporizarea) apei la t = ct. = 100 °C : fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente:
Q4 = Qlatentă vaporizare = m · ʌv = 0,1kg ∙ 2260000 J/kg = 226000 J
Adunăm toate căldurile absorbite de gheață până la vaporizarea completă:
Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 4180 J + 33400 J + 41850J + 226000 J = 305430 J
2. Ce căldură degajă 500g de aluminiu de la temperatura de 800 °C până la temperatura de 500 °C ?
Se dau: cAl = 880 J/kgK, ʌt = 400000J/kg , tt = 660°C
Rezolvare
Scriem datele problemei:
m = 500g = 0,5kg
t1 = 800°C
tt = ts = 660°C
cAl = 880J/kgK
ʌt = 400000 J/kg
t2 = 500°C
Scriem fenomenele suferite de aluminiu și aplicăm formulele corespunzătoare pentru căldura cedată, în fiecare caz:
a) Răcirea aluminiului lichid de la 800°C până la 660°C:
Q1 = m ∙ cAl ∙ ΔT = 0,5kg ∙ 880 J/kgK ∙ (660-800) K = 0,5 ∙ 880 ∙ (-140) = -61600 J
b) Solidificarea aluminiului lichid la ts = tt = constantă = 660°C : fiind fenomen cu schimbare de stare de agregare aplicăm formula căldurii latente:
Q2 = Qlatentă topire = - m · ʌt = - 0,5kg ∙ 400000 J/kg = - 200000 J
c) Răcirea aluminiului solid de la 660°C până la 500°C :
Q3 = m ∙ cAl ∙ ΔT = 0,5kg ∙ 880J/kgK ∙ (500-660) = 0,5 ∙ 880 ∙ (-160) = - 70400 J
Adunăm toate căldurile cedate de aluminiu
Qcedată = Q1 + Q2 + Q3 = - 61600J - 200000 J - 70400 J = - 332000 J
3. Determinarea temperaturii de echilibru.