Энтальпия испарения воды: Энтальпия испарения

Содержание

Теория парообразования и увлажнения воздуха

1. Понятие воздуха с точки зрения термодинамики
2. Влагосодержание, или абсолютная влажность.
3. Парциальное давление.
4. Относительная влажность.
5. Удельная теплоемкость и энтальпия воздуха.
6. Удельная теплоемкость и энтальпия воды.
7. Процесс парообразования.
8. Процесс парообразования. Испарение воды.
9. Процесс парообразования. Кипение воды.
10. Скрытая теплота парообразования.
11. Насыщенный пар.
12. Адиабатическое испарение воды.
13. Методы процесса увлажнения воздуха.
14. Изотермическое увлажнение воздуха.
15. Адиабатическое увлажнение воздуха.
16. Принципиальные различия изотермического и адиабатического
17. Увлажнители испарительного типа
18. Увлажнители распылительного типа: воздушно-водяные
19. Увлажнители распылительного типа: водяные
20. Сравнение системы испарительного типа и высоконапорной системы
21. Пример расчета производительности системы увлажнения воздуха.
22. Адиабатическое охлаждение воздуха с помощью системы увлажнения.

1. Понятие воздуха с точки зрения термодинамики.

Воздух, которым мы дышим, представляет собой смесь газообразных элементов и соединений и водяной пар, доля которого зависит от температуры воздуха и соответствующей влажности.

Понятие «влажный воздух» с точки зрения термодинамики определяют, как двухкомпонентную смесь.

Компонент 1: сухой воздух, состоящий из смеси газов

Компонент 2: водяной пар

Водяной пар легче воздуха. Например, плотность насыщенного пара при нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С 0,00493 кг/м³, а воздуха 1,293 кг/м³.

2. Влагосодержание, или абсолютная влажность.

Абсолютная влажность это количество водяного пара x (г или кг), содержащееся в 1 кг сухого воздуха.

x = m_D / m_L, в кг водяного пара/кг сухого воздуха (1)

3. Парциальное давление.

В технике кондиционирования воздуха работают с таким параметром, как абсолютная влажность x.

В метеорологических же таблицах используют в качестве характеристической величины парциальное давление p_D.

Выведем зависимость абсолютной влажности от парциального давления.

Если допустить, что компоненты смеси «влажного воздуха» ведут себя как идеальные газы, то для смеси, как и для отдельных ее компонентов, имеет силу уравнение состояния для идеальных газов:

P·V = m·R·T (2)

Парциальное давление – давление газа (пара) в смеси, которое он оказывал бы при данной температуре, если бы он один занимал объем смеси.

Закон Дальтона: p = p₁ + p₂ + … + p_n (3)

Сумма парциальных давлений от p₁ до p_n компонентов от 1 до n равна полному давлению смеси.

Для влажного воздуха, согласно закона Дальтона (3) имеем:

p = p_L + p_D, где (4)

p_L– парциальное давление сухого воздуха;

p_D– парциальное давление водяного пара.

При использовании уравнения (2) для сухого воздуха и водяного пара с учетом высказывания Дальтона получаем для компонентов водяного пара:

p_D ·V = m_D·R_D·T (5)

для компонентов сухого воздуха

p_L ·V = m_L·R_L·T (6)

Соотношение масс компонентов согласно формуле (1) может быть описано через выражение:

m_D / m_L = p_D / p_L ·R_D / R_L

Значения газовых постоянных равны R_D = 461,5 Дж/кг·К и R_L = 287,1 Дж/кг·К

Получаем следующее уравнение зависимости абсолютной влажности от парциального давления:

x = 0,6221 p_D / p_L

и соответственно

x = 0,6221 p_D / p — p_D(7)

где p_D– парциальное давление водяного пара.

4. Относительная влажность.

Сухой воздух и водяной пар не подлежат безграничному смешиванию. Каждому значению температуры соответствует максимальное количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе, и определенное парциальное давление этих паров.

Относительная влажность это отношение существующего парциального давления водяного пара к давлению насыщения при равной температуре.

φ = p_D / p_S

Температура, при которой начинается конденсация избыточного количества водяных паров, называется температурой «точки росы», а воздух, в котором начинается конденсация, называется насыщенным.

При понижении температуры ниже «точки росы» воды из воздуха выделяется в виде конденсата или тумана, т.е. абсолютная влажность x становится меньше.

5. Удельная теплоемкость и энтальпия воздуха.

Удельная теплоемкость показывает какое количество теплоты, необходимо для повышения температуры вещества массой 1 кг на 1 К.

Q = m·c·Δt (8)

в уравнении (8) с (кДж/кг·К) есть зависимая от температуры средняя удельная теплоемкость вещества.

Для сухого воздуха с_L ≈ 1,005 кДж/кг·К

Для водяного пара с_D ≈ 1,858 кДж/кг·К

Полная энтальпия влажного воздуха рассчитывается как:

h = m_L·h_L+ m_D·h_D

m_L

Поскольку x = m_D / m_L, энтальпия воздуха равняется:

h = h_L + x· h_D или h = с_L·t + x·(с_D·t + r₀)

Для расчета энтальпии водяного пара имеет силу упрощенная формула: h_D≈ с_D·t + r₀

где: с_D– средняя удельная теплоемкость водяного пара в пересчете на 0ºС (кДж/кг·К)

r₀ – теплота парообразования воды в пересчете на 0ºС (2500 кДж/кг)

Для расчета энтальпии сухого воздуха: h_L = с_L·t

Подставляя значения, в уравнение расчета полной энтальпии воздуха, получаем формулу:

h = 1,005·t + x·(1,858·t + 2500) или в приближенном варианте:

h ≈ t + x·(1,86·t + 2500) кДж/кг сухого воздуха

6.

Удельная теплоемкость и энтальпия воды.

Энтальпия (теплосодержание) воды определяется количеством тепла, которое нужно затратить для нагрева 1 кг воды от 0ºС до заданной температуры.

Энтальпия – функция термодинамической системы, равная сумме внутренней энергии и произведения объема на давление.

Для воды удельную теплоемкость с достаточной для практических расчетов точностью принимают равной с=4,2 кДж/кг·К или 1 ккал/кг·Сº, т.к. удельная теплоемкость воды слабо зависит от температуры.

Количество теплоты (Q, ккал), которое необходимо сообщить телу (например, нагреваемой в котле воде) для повышения его температуры от t₁ до t₂, равно произведению массы тела (m, кг), его удельной теплоемкости (с, ккал/кг·Сº), разности конечной t₂и начальной t₁ температуры тела (Сº).

Пример: Циркуляция воды через водогрейный котел составляет 300 т/ч. Температура воды на входе в котел 70Сº, а температура воды на выходе из котла 100 Сº. Найти часовую производительность котла.

Q = m·c·(t₂— t₁) = 300·10³ · 1000 · (100 – 70) = 9·10⁹ = 9 Гкал/час

7. Процесс парообразования.

Парообразованием называется процесс превращения жидкости в пар.

Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.

8. Процесс парообразования. Испарение воды.

При испарении образование пара происходит только с поверхности воды, и этот процесс имеет место быть при любой температуре.

Испарение воды может быть полным, если над водой находится неограниченное пространство.

В природе процесс испарения воды осуществляется в гигантских масштабах в любое время года: испарение в реках, морях и океанах.

При нагревании воды повышается ее температура и возрастает интенсивность испарения.

9. Процесс парообразования. Кипение воды.

При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от давления, под которым находится вода начинается парообразование по всей массе воды. При этом внутри объема воды образуются пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Давление получающегося при этом пара такое же, как и среды, в которой происходит кипение.

Во время кипения воды, находящейся в открытом сосуде, температура ее остается неизменной, а вся вода при достаточном подводе тепла превращается в пар.

При достижении водой температуры кипения образуются небольшие паровые пузырьки, которые всплывают к поверхности воды, преодолевают силы поверхностного натяжения и вырываются в паровое пространство.

Объем пара при этом больше испарившейся воды примерно в 1700 раз.

10. Скрытая теплота парообразования.

Тепло, расходуемое на превращение кипящей воды в пар, называется скрытой теплотой парообразования, а это тепло, отнесенное к 1 кг воды, называется удельной теплотой парообразования.

Чтобы нагреть 1 кг воды при барометрическом давлении от 0ºС до 100ºС, требуется затратить примерно 100 ккал тепла, а скрытая теплота парообразования при этом равна примерно 500 ккал, т. е. в 5 раз больше.

Энтальпия насыщенного пара равна сумме энтальпии воды при температуре кипения и скрытой теплоты парообразования.

11. Насыщенный пар.

Пар, образующийся в присутствии кипящей воды, содержит капельки жидкости, и его называют влажным насыщенным паром. Удаление частиц воды из пара называется сепарацией.

Если продолжать нагревать сухой насыщенный пар, то температура его будет расти и станет выше температуры насыщения при том же давлении. Такой пар называют перегретым. Получают перегретый пар в специальном устройстве котла – пароперегревателе.

Перегретый пар при снижении температуры не конденсируется до момента достижения температуры насыщенного пара при том же давлении. С дальнейшим понижением температуры происходит конденсация водяных паров.

12. Адиабатическое испарение воды.

Переход воды из жидкого состояния в газообразное (пар) сопровождается поглощением теплоты испарения Q_и.

L_и = Q_и/m

Удельная теплота испарения воды L_и — это количество теплоты, необходимое, чтобы перевести 1 кг воды в парообразное состояние при постоянной температуре.

Удельная теплота испарения воды зависит от температуры, при которой испаряется вода. Эта зависимость определяется следующей эмпирической формулой:

L_и = (25 – 0,024t_в) 10⁵

где 25·10⁵ Дж/кг — удельная теплота испарения при температуре поверхности воды, равной 0°С; t_в — температура испаряющейся воды.

Источником ее обычно служит внутренняя энергия самой жидкости, поэтому при испарении она охлаждается.

Тепловые показатели воды аномальны по сравнению с аналогичными характеристиками других веществ.

Это обстоятельство обязано ее структуре, обусловленной водородными связями между молекулами, характеризующимися большей прочностью, чем межмолекулярные взаимодействия. Например, большая теплоемкость воды может быть объяснена только распадом ассоциированных молекул при нагревании. Так как распад этих молекул сопровождается поглощением энергии, то при нагревании воды теплота расходуется не только на повышение температуры, но и на распад ассоциированных молекул.

13. Методы процесса увлажнения воздуха.

Наибольшее практическое применение увлажнения воздуха получили два основных метода увлажнения:

Увлажнение воздуха
Изотермическое	Адиабатическое
при постоянной температуре ΔТ = 0	при постоянной энтальпии ΔQ = 0

14. Изотермическое увлажнение воздуха.

Способы изотермического увлажнения:

— паровое увлажнение

Изотермическое увлажнение происходит при постоянной температуре.

В воздух непосредственно поступает насыщенный пар.

Фазовый переход воды из жидкого в парообразное состояние осуществляется за счет внешних источников тепла.

Например, выделяемого тепла за счет прохождения электрического тока через воду (содержащую определенное количество минеральных солей).

С увеличением абсолютного влагосодержания энтальпия образуемой при этом водо-воздушной смеси растет путем увеличения скрытой составляющей тепла. При этом температура, характеризуемая явной составляющей тепла, остается неизменной.

15. Адиабатическое увлажнение воздуха.

Способы адиабатического увлажнения:

— испарительного типа

— распылительного типа (воздушно-водяной)

— распылительного типа (водяной)

— ультразвуковое увлажнение

Адиабатическое увлажнение воздуха происходит при постоянной энтальпии.

Фазовый переход из жидкого в парообразное состояние осуществляется путем свободного испарения воды.

При этом имеет место внутренний переход части явного тепла в скрытое тепло.

16. Принципиальные различия изотермического и адиабатического

увлажнения воздуха

Большее энергопотребление, за счет компенсации скрытой теплоты испарения воды в ходе парообразования за счет внешних источников энергии.
Процесс парообразования происходит за счет внутреннего перераспределения энергии.

Изотермическое	Адиабатическое
Проще реализуется аппаратно	Требуется подготовленная вода
Генерация 10кг влаги требует 7,5 кВт*ч потребляемой энергии.	Генерация 10кг влаги требует 0,04 кВт*ч потребляемой энергии.

В связи с тем, что адиабатическое увлажнение является более экономичным, как минимум на 1-2 порядка, изотермическое увлажнение чаще используется для создания комфортных условий в быту, где дефицит влаги, как правило, не превышает 100 кг/ч.

Компания ЕС Инжиниринг охватываем множество индустриальных направлений по созданию микроклимата в помещениях путем увлажнения воздуха. Решить все задачи увлажнения воздуха однотипной системой невозможно, поэтому мы предлагаем несколько типов адиабатических систем увлажнения воздуха:

Система увлажнения внутри вентиляции
Система увлажнения открытым способом в помещении
Локальное увлажнение воздуха
Увлажнение «сухой туман»
Адиабатическое охлаждение воздуха

17. Увлажнители испарительного типа

Система реализуется в системах вентиляции.

В увлажнителях испарительного типа воздух прокачивается через панели, заполненные смачиваемой водой насадкой, в результате чего за счет пленочного испарения происходит насыщение воздуха парами воды.

Есть два варианта конструктивного исполнения увлажнителей данного типа:

— с рециркуляцией воды

— без рециркуляции воды

Основные принципиальные недостатки увлажнителей испарительного типа:

— отсутствие возможности регулирования количества испаряемой влаги с приемлемой точностью

— с рециркуляцией воды возникает опасность размножения бактерий в системе

— без рециркуляции воды только 15-30% воды используется по прямому назначению, т.е. испаряется и увлажняет обрабатываемый воздух, остальная часть воды идет в канализацию

— с рециркуляцией воды — 30-90% воды идет на промывку мембран увлажнителей для очистки их от соли и примесей

Производителями указываются в спецификации коэффициенты эффективности испарителей:

под этим подразумевается коэффициент эффективности мембраны, т.е. сколько теоретически испариться в воздух влаги в сравнении с количеством подаваемой воды.

Этот коэффициент не показывает долю обеспечения относительной влажности в помещении от количества используемой воды.

Компания ЕС Инжиниринг не рекомендует применение испарительных увлажнителей по причине опасности размножения бактерий и проблем с гигиеной внутри вентиляции.

18. Увлажнители распылительного типа: воздушно-водяные

Увлажнители распылительного типа (воздушно-водяные) осуществляют распыление воды через форсунки, к которым подводятся по отдельным трубопроводам вода и сжатый воздух.

Принцип работы: в увлажнитель поступает сжатый воздух и вода; методом инжекции вместе со сжатым воздухом она выходит через форсунку наружу. За счет резкого перепада давления смесь воздуха и воды расширяется, и вода мгновенно превращается в пар.

Установка данных увлажнителей целесообразна при производительности до 200 л/ч.

Для работы данной системы увлажнения необходим компрессор. Такие увлажнители создают шум при работе.

Компания ЕС Инжиниринг предлагает разновидность увлажнителя на сжатом воздухе «сухой туман», который совсем не дает конденсации. Это единственная система представленных на рынке, в которой вода от форсунок может попадать на трубопроводы, материалы и конденсации не будет.

19. Увлажнители распылительного типа: водяные

Увлажнители распылительного типа (водяные) осуществляют распыление воды высокого давления (70 бар) через форсунки. Такие системы называются высоконапорные системы увлажнения воздуха.

Благодаря минимальному энергопотреблению систем — 5 Вт на 1 л воды — высоконапорные системы являются наиболее подходящей технологией увлажнения больших (>10.000 м³/ч) и очень больших объемов воздуха (>500.000 м³/ч) помещений.

Принцип работы: насос создает давление воды 70 бар, вода выходит в пространство через отверстие форсунки Ø 0,1-0,2 мм, из-за резкого перепада давления, вода дробится на мелкую дисперсию и превращается в пар.

Широкий диапазон производительности оборудования, от 60 л/ч до 50000 л/ч, решает любые задачи увлажнения на производстве.

Системы безопасны с точки зрения санитарии, т.к. вода находится в замкнутом пространстве и не имеет контакта с воздухом. Для форсунок требуется очищенная вода.

Компания ООО «ЕС Инжиниринг» изготавливает, монтирует системы увлажнения воздуха высокого давления из комплектующих Danfoss. Насосы высокого давления компании Danfoss серии PAHT это единственные насосы, представленные на рынке, которые работают без смазки маслом, поэтому требуют минимального обслуживания и работают минимум 8000 часов! без обслуживания.

20. Сравнение системы испарительного типа и высоконапорной системы

увлажнения воздуха

Испарительный тип

Увлажнители устанавливаются в внутри вентмашины системы вентиляции, т.е. требуется наличие вентмашины.

Кроме того, процесс увлажнения воздуха будет происходить только при работающей вентмашине в отличие от увлажнителей, распыляющих влагу непосредственно в помещении, которым не нужна вентмашина. При применении увлажнения в вентмашине требуется подогрев воздуха перед секцией увлажнения для того, чтобы водяной пар мог полностью испариться и не конденсировал ниже точки росы.

Для испарительных увлажнителей обычно требуется два калорифера, основной до секции увлажнения и калорифер доводчик требуемых параметров воздуха, после секции увлажнения.

Основные недостатки систем испарительного типа:

— нельзя регулировать количества испаряемой влаги с приемлемой точностью

— с рециркуляцией воды возникает опасность размножения бактерий в системе

— с рециркуляцией воды — 30-90% воды идет на промывку мембран увлажнителей для очистки их от соли и примесей

Высоконапорная система.

Реализуется как в составе вентустановки так и для объемного увлажнения непосредственно внутри помещения.

Единственный недостаток системы: для эксплуатации требуется подготовленная вода.

Позволяет с большой точностью поддерживать относительную влажность в помещении.

Вода в системе увлажнения не застаивается, т.е. нет опасности размножения бактерий.

21. Пример расчета производительности системы увлажнения воздуха.

Исходные параметры:

Подаваемый воздух снаружи: t_нар = 0 ºС; φ_нар = 60%

V_вент = 6000 м³/час

t_воды = 8 ºС

Требуемые параметры:

Воздух в помщении: t_внутр = 22 ºС; φ_внутр = 60%

Находим, что x_нар = 2,29 г/кг; x_внутр = 10,1 г/кг

m_воды = V_вент · ρ_возд · (x_внутр— x_нар)

m_воды = 6000 м³/час · 1,2 к/м³ · (10,1 – 2,29) г/кг · 10^-3 = 56 л/час

22.

Адиабатическое охлаждение воздуха с помощью системы увлажнения.

Используется в летний период времени для понижения «пиковых» температур уличного воздуха выше 25°С, который идет на охлаждение теплообменных аппаратов.

Где применяется:

Наружные блоки кондиционеров
Рекуператоры вентмашин
Аппараты воздушного охлаждения (АВО)
Открытое воздушное пространство бытовых и промышленных помещений

В теплый период времени адиабатическое охлаждение позволяет понизить температуру приточного воздуха до 10 °C.

Можно использовать, как дополнительный эффект охлаждения воздуха взамен традиционного, что позволяет значительно экономить энергоресурсы.

Энтропия испарения

Мольная энтропия
испарения
S_исп
= H_исп/Т_кип
равна разности S_пара
— S_жидк.
Поскольку S_пара
>> S_жидк,
то можно полагать S_исп_≈S_пара.
Следующее допущение состоит в том, что
пар считают идеальным газом. Отсюда
вытекает приблизительное постоянство
мольной энтропии испарения жидкости
при температуре кипения, называемое
правилом Трутона.

Правило Трутона:
Мольная
энтропия испарения любой жидкости
составляет величину порядка 88 Дж/(моль^.
К).

Если при испарении
разных жидкостей не происходит ассоциации
или диссоциации молекул, то энтропия
испарения будет приблизительно одинакова.
Для соединений, образующих водородные
связи (вода, спирты), энтропия испарения
больше 88 Дж/(моль^.
К). Правило Трутона позволяет определить
энтальпию испарения жидкости по известной
температуре кипения, а затем по уравнению
Клаузиуса-Клапейрона определить
положение линии моновариантного
равновесия жидкость-пар на фазовой
диаграмме.

Задача.
Оцените давление пара над диэтиловым
эфиром при 298К зная его температуру
кипения (308.6К ).

Решение:
Согласно правилу Трутона S_исп
= 88 Дж/(моль^.К),
с другой стороны S_исп=H_исп/T_кип;
отсюда Н_исп=88·308,6=27.16
кДж/моль (по справочнику Н_исп=26.6
кДж/моль ).

Применим уравнение
Клаузиуса-Клапейрона (44), учитывая, что
при кипении (Т=308.6К)
давление паров эфира р
= 1
атм. Тогда имеем

ln p — ln 1
= 27.16^.10³/8.31(1/308.6-1/T),
или ln p
= -3268/T
+ 10.59 (и это является уравнением линии
моновариантного равновесия (жидкость)
(пар) на фазовой диаграмме эфира). Отсюда,
приТ=298К
(25⁰С),
р=0.25
атм.

Энтропия плавления
не так постоянна для разных веществ,
как энтропия испарения. Это связано с
тем, что беспорядок (мерой которого
является энтропия) возрастает при
переходе от твердого к жидкому состоянию
не столь сильно, как при переходе в
газообразное состояние.

Термодинамическим
равновесием
называется такое состояние системы,
характеристики которого (температура,
давление, объем, концентрации) не
изменяется во времени при постоянстве
внешних условий. Химическое
равновесие
– частный случай термодинамического
равновесия. При химическом равновесии
концентрации
всех реагирующих веществ не меняются
во времени.

Необходимо
отметить, что химическое равновесие
является динамическим,
т.е. соответствует одновременному
протеканию процесса в противоположных
направлениях. При этом скорость
прямой и обратной реакций равны.

Химическое
равновесие является подвижным
– всякое бесконечно малое внешнее
воздействие на равновесную систему
вызывает бесконечно малое изменение
состояния системы; по прекращении
внешнего воздействия система возвращается
в исходное состояние.

Ещё
одним важным свойством химического
равновесия является то, что система
может самопроизвольно прийти в состояние
равновесия с
двух противоположных сторон.
Иначе говоря, любое неравновесное
состояние является менее устойчивым,
и переход в него из состояния равновесия
всегда связан с необходимостью затраты
работы извне.

Известно,
что протекание самопроизвольного
процесса в закрытой системе сопровождается
уменьшением свободной энергии (dG
< 0, dF < 0).
Очевидно, что рано или поздно система
достигнет минимума свободной энергии.
Условием минимума некоторой функции
является равенство нулю ее первой
производной и положительный знак второй
производной. Таким же образом условием
термодинамического равновесия в закрытой
системе является минимальное значение
соответствующего термодинамического
потенциала:

Изобарно-изотермические
условия (р
= const, T = const):

ΔG
= 0 dG = 0, d²G
> 0

Изохорно-изотермические
условия (V
= const, T = const):

ΔF
= 0 dF = 0, d²F
> 0

Состояние системы
с минимальной свободной энергией есть
состояние термодинамического равновесия.

Известно, что G
= H
— ТS,
т.е. G
определяется двумя составляющими —
тепловым эффектом H
и энтропийным
фактором
ТS.
Первый фактор отражает повышение
устойчивости системы при уменьшении
ее внутренней энергии; он проявляется
в тенденции к большей агрегации вещества,
укрупнению его частиц и т.п. Второй
фактор (энтропийный) отражает тенденцию
к усилению различных процессов диссоциации
на более простые частицы под действием
их теплового движения. Оба эти фактора
действуют в противоположных направлениях,
и общее течение реакции определяется
преобладанием одного из них. Процесс
идет, пока не будет достигнуто состояние,
при котором их влияния становятся
равными по величине, что отвечает
состоянию равновесия. Т.к. изменение
энтропии входит в уравнение в составе
произведения с температурой, то при
прочих равных условиях повышение
температуры усиливает влияние энтропийного
фактора.

10.10: Энтальпия плавления и энтальпия испарения

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 49664

Эд Витц, Джон В. Мур, Джастин Шорб, Ксавьер Прат-Ресина, Тим Вендорф и Адам Хан
Цифровая библиотека химического образования (ChemEd DL)

Когда тепло подается к твердому телу (например, льду) с постоянной скоростью с помощью электрического нагревательного змеевика, мы обнаруживаем, что температура неуклонно растет до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления и не станут очевидными первые признаки образования жидкости, что может быть видно на графике ниже. После этого, даже несмотря на то, что мы по-прежнему подводим тепло к системе, температура остается постоянной, пока присутствуют как жидкость, так и твердое тело. На приведенном ниже графике это представлено плоской линией, где энергия добавляется ко льду, но температура не меняется. Вся энергия, добавляемая в систему на этом этапе, используется для преобразования твердого льда в жидкую воду.

Кредиты изображений: Cawang через Wikimedia Commons

Такое макроскопическое поведение совершенно ясно демонстрирует, что для того, чтобы расплавить твердое тело, необходимо сообщить ему энергию. На микроскопическом уровне плавление включает в себя разделение молекул, которые притягиваются друг к другу. Это требует увеличения потенциальной энергии молекул, а необходимую энергию обеспечивает нагревательный змеевик. Кинетическая энергия молекул (вращение, вибрация и ограниченный перенос) остается постоянной во время фазовых переходов, потому что температура не меняется. 9{o} \text{C}] h3O(l)} \nonumber \]

\[\треугольник H_m = 6,01 \frac {\text{кДж}}{\text{моль}} \nonumber \]

Выбранные молярные энтальпии плавления сведены в таблицу \(\PageIndex{1}\). Твердые тела, такие как лед, которые имеют сильные межмолекулярные силы, имеют гораздо более высокие значения, чем такие, как CH ₄ со слабыми. Обратите внимание, что энтальпии плавления и испарения меняются с температурой.

Когда жидкость кипит, изменение температуры в зависимости от подведенного тепла аналогично тому, которое наблюдается при плавлении. Когда тепло подается с постоянной скоростью к жидкости при атмосферном давлении, температура повышается до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения. После этого температура остается постоянной до 9{o} \text{C}] h3O(g)} \nonumber \]

\[\треугольник H_m = 40,67 \frac {\text{кДж}}{\text{моль}} \nonumber \]

теплота поглощается при кипении жидкости, потому что молекулы, удерживаемые вместе за счет взаимного притяжения в жидкости, отталкиваются друг от друга при образовании газа. Такое разделение требует энергии. В общем, необходимая энергия отличается от одной жидкости к другой в зависимости от величины межмолекулярных сил. Таким образом, мы можем ожидать, что жидкости с сильными межмолекулярными силами будут иметь более высокие энтальпии испарения. Список энтальпий парообразования, приведенный в таблице, подтверждает это.

Таблица \(\PageIndex{1}\): Молярные энтальпии плавления и испарения отдельных веществ.
Вещество	Формула	ΔH(плавление) /кДж моль ^-1	Точка плавления / K	ΔH(испарение) / кДж моль ^-1	Точка кипения/К	(ΔH _v /T _b ) / JK ^-1 моль ^-1
Неон	Не	0,33	24	1,80	27	67
Кислород	О ₂	0,44	54	6,82	90,2	76
Метан	СН ₄	0,94	90,7	8,18	112	73
Этан	С ₂ Н ₆	2,85	90,0	14,72	184	80
Хлор	Класс ₂	6,40	172,2	20. 41	239	85
Четыреххлористый углерод	ККл ₄	2,67	250,0	30.00	350	86
Вода*	Н ₂ О	6.00678 при 0°C, 101 кПа 6.354 при 81,6°C, 2,50 МПа	273,1	40.657 при 100°С, 45.051 при 0°С, 46.567 при -33°С	373,1	109
n -Нонан	С ₉ Н ₂₀	19,3	353	40,5	491	82
Меркурий	рт. ст.	2,30	234	58,6	630	91
Натрий	На	2,60	371	98	1158	85
Алюминий	Ал	10,9	933	284	2600	109
Свинец	Пб	4,77	601	178	2022	88

*www1. lsbu.ac.uk/water/data.html

Еще две особенности стола заслуживают упоминания. Одна из них заключается в том, что энтальпия испарения вещества всегда выше энтальпии его плавления. Когда твердое тело плавится, молекулы не отделяются друг от друга почти так же, как при кипении жидкости. Во-вторых, существует тесная корреляция между энтальпией парообразования и температурой кипения, измеряемой по термодинамической шкале температур. Периодические тренды температуры кипения точно следуют периодическим трендам теплоты парообразования. Если мы разделим одно на другое, мы обнаружим, что результат часто находится в диапазоне от 75 до 9.0 Дж К ^–1 моль ^–1 . Поэтому в первом приближении энтальпия испарения жидкости пропорциональна термодинамической температуре кипения жидкости . Этот интересный результат называется правилом Трутона . Эквивалентное правило не выполняется для слияния. Энергия, необходимая для плавления твердого тела, и температура, при которой это происходит, зависят от структуры кристалла, а также от величины межмолекулярных сил.

9{o}\text{C}) \)

\[\треугольник H_m = 4,77 \frac {\text{кДж}}{\text{моль}} \nonumber \]

\[100 \text{g} ~\times~ \frac {1 \text{моль Pb}}{207,2 ~\text{г}~ \text{Pb}} ~\times ~\frac{4,77~ \text{кДж}}{\text{моль }} = 2,30~ \text{кДж} \nonumber \]

(2) Чтобы растопить 100 г воды:

\[100 \text{g} ~\times~ \frac {1 \text{mol}} {18,0 ~\text{g}}~ \times~ \frac{6,01~ \text{кДж}}{\text{моль}} = 33,4~ \text{кДж} \nonumber \]

(3) Испарить 100 г воды:

\[100 \text{g} ~\times ~\frac {1 \text{mol}}{18.0~ \text{g}} ~\times ~\frac{40.657~ \text{kJ}}{\text {моль}} = 226~ \text{кДж} \nonumber \]

Может показаться удивительным, что для плавления или испарения 100 г свинца требуется гораздо меньше тепла, чем для плавления или испарения воды. Во-первых, температура, при которой плавится вещество, не имеет ничего общего с энтальпией плавления, хотя на практике нам пришлось бы добавлять больше тепла, чтобы получить свинец до точки плавления. Молярная энтальпия плавления на самом деле меньше для свинца из-за меньшей энергии связи между частицами. Молярная энтальпия испарения свинца больше, чем у воды, но эта проблема напоминает нам, что в некоторых случаях результат, основанный на массе, может иметь практическое значение, показывая, что для испарения равной массы свинца требуется меньше тепла.

Эта страница под названием 10.10: Энтальпия синтеза и энтальпия испарения используется в соответствии с лицензией CC BY-NC-SA 4.0, ее авторами, ремиксами и/или кураторами являются Эд Витц, Джон В. Мур, Джастин Шорб, Ксавьер. Прат-Ресина, Тим Вендорф и Адам Хан.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Автор
ХимПРАЙМ
Лицензия
CC BY-NC-SA
Версия лицензии
4,0
Показать страницу TOC
№ на стр.
Теги
1. энтальпия плавления
2. энтальпия парообразования
3. Правило Трутона

ChemTeam: Молярная теплота парообразования

ChemTeam: молярная теплота парообразования

Молярная теплота парообразования

Возврат к файлу диаграммы время-температура

Вернуться в меню термохимии

Вот определение молярной теплоты парообразования:

количество теплоты, необходимое для кипения (или конденсации) 1,00 моля вещества при его температуре кипения

Обратите внимание на два важных фактора:

1) Это 1,00 моль вещества
2) нет изменения температуры

Имейте в виду, что это очень специфическое значение. Это только при кипении одного моля вещества. Молярная теплота парообразования является важной частью расчетов энергии, поскольку она говорит вам, сколько энергии необходимо для кипения каждого моля имеющегося вещества. (Или, если бы мы охлаждали вещество, сколько энергии на моль нужно удалить из вещества при его конденсации.)

Каждое вещество имеет свою молярную теплоту парообразования.

Единицами для молярной теплоты парообразования являются килоджоули на моль (кДж/моль). Иногда используется единица Дж/г. В этом случае ее называют теплотой парообразования, при этом термин «молярная» исключается.

Молярная теплота испарения воды составляет 40,7 кДж/моль. Чтобы получить теплоту парообразования, нужно просто разделить молярную теплоту на 18,015 г/моль. См. пример № 3 ниже.

Молярные теплоты можно посмотреть в справочниках.

Уравнение молярной теплоты парообразования выглядит следующим образом:

q = (ΔH _vap ) (масса/молярная масса)

Значения следующие:

1) q — общее количество вовлеченного тепла
2) ΔH _vap — символ молярной теплоты парообразования. Это значение является константой для данного вещества.
3) (масса/молярная масса) – это деление для получения числа молей вещества.

Пример #1 49,5 г H ₂ O кипит при температуре кипения 100 °C. Сколько кДж требуется?

Решение:

Подставьте соответствующие значения в приведенное выше уравнение молярной теплопроводности.
q = (40,7 кДж/моль) (49,5 г/18,0 г/моль)

Пример #2: 80,1 г H ₂ O существует в виде газа при 100 °C. Сколько кДж нужно отвести, чтобы превратить воду в жидкость при 100 °С?

Решение:

Обратите внимание, что вода конденсируется. Величина молярной теплоты парообразования используется при фазовом переходе твердое тело-жидкость, НЕЗАВИСИМО от направления (кипение или конденсация).
q = (40,7 кДж/моль) (80,1 г / 18,0 г/моль)

Пример №3: Рассчитайте теплоту парообразования воды в Дж/г.

Решение:

Разделите молярную теплоту парообразования (выраженную в джоулях) на массу одного моля воды.
(40700 Дж/моль) / (18,015 г/моль) = 2259 Дж/г

Вы можете увидеть использованное значение 2257 Дж/г. Это результат использования 40,66 кДж/моль, а не 40,7 кДж/моль. Значение, используемое автором, часто совпадает с тем, которое он использовал, будучи студентом. Просто имейте в виду, что ни одно из значений не является неправильным, они возникают из-за различных вариантов доступных значений.

Пример #4: Используя теплоту парообразования воды в Дж/г, рассчитайте энергию, необходимую для кипячения 50,0 г воды при температуре кипения 100 °C.

Решение:

Умножить теплоту парообразования (выраженную в Дж/г) на массу вовлеченной воды.
(2259 Дж/г) (50,0 г) = 112950 Дж = 113 кДж

Пример #5: Во сколько раз энергия, необходимая для испарения 75 г воды при 100 °C, больше энергии, необходимой для плавления 75 г льда при 0 °C?

Решение:

Обратите внимание на одинаковое количество воды.