Введение
Термодинамическая энергия фазового перехода
Латентное тепло (также известное как скрытая энергия или теплота превращения) — это энергия, выделяемая или поглощаемая телом или термодинамической системой во время процесса с постоянной температурой, обычно фазового перехода первого рода, такого как плавление или конденсация. Латентное тепло можно понимать как скрытую энергию, которая подводится или отводится для изменения состояния вещества без изменения его температуры или давления. Это включает в себя латентное тепло плавления (переход из твердого состояния в жидкое), латентное тепло испарения (переход из жидкого состояния в газообразное) и латентное тепло сублимации (переход из твердого состояния в газообразное). Термин был введен около 1762 года шотландским химиком Джозефом Блэком. Блэк использовал этот термин в контексте калориметрии, где передача тепла вызывала изменение объема тела при постоянной температуре. В отличие от латентного тепла, удельное тепло — это энергия, передаваемая в виде тепла, приводящая к изменению температуры тела.
Использование
Термины «чувствительное тепло» и «латентное тепло» относятся к энергии, передаваемой между телом и его окружением и определяемой наличием или отсутствием изменения температуры; они зависят от свойств тела. Чувствительное тепло ощущается или воспринимается в процессе как изменение температуры тела. Латентное тепло – это энергия, передаваемая в процессе без изменения температуры тела, например, при изменении фазы (твердое/жидкое/газообразное). Как чувствительное, так и латентное тепло наблюдаются во многих процессах передачи энергии в природе. Латентное тепло связано с изменением фазы атмосферной или океанической воды – испарением, конденсацией, замерзанием или плавлением, в то время как чувствительное тепло – это энергия, передача которой проявляется в изменении температуры атмосферы или океана, или льда, без этих изменений фазы, хотя оно связано с изменениями давления и объема. Первоначальное использование этого термина, введенного Блэком, применялось к системам, которые намеренно поддерживались при постоянной температуре. Такое использование относилось к латентному теплу расширения и нескольким другим связанным с ним латентным теплам. Эти латентные теплоты определяются независимо от концептуальной основы термодинамики. Когда тело нагревается при постоянной температуре тепловым излучением, например, в микроволновом поле, оно может расширяться на величину, определяемую его латентным теплом по отношению к объему или латентным теплом расширения, или увеличивать давление на величину, определяемую его латентным теплом по отношению к давлению. Латентное тепло – это энергия, высвобождаемая или поглощаемая телом или термодинамической системой в процессе при постоянной температуре. Две распространенные формы латентного тепла – это латентное тепло плавления (плавления) и латентное тепло испарения (кипения). Эти названия описывают направление потока энергии при переходе из одной фазы в другую: от твердого к жидкому и от жидкого к газообразному. В обоих случаях изменение является эндотермическим, то есть система поглощает энергию. Например, при испарении воды молекулам воды требуется приток энергии для преодоления сил притяжения между ними и осуществления перехода от воды к пару. Если затем пар конденсируется в жидкость на поверхности, то латентная энергия пара, поглощенная при испарении, высвобождается в виде чувствительного тепла жидкости на этой поверхности. Высокое значение энтальпии конденсации водяного пара является причиной того, что пар является гораздо более эффективным теплоносителем, чем кипящая вода, и более опасен.
Метеорология
В метеорологии латентный тепловой поток — это перенос энергии от поверхности Земли в атмосферу, связанный с испарением или транспирацией воды с поверхности и последующей конденсацией водяного пара в тропосфере. Он является важной составляющей энергетического баланса поверхности Земли. Латентный тепловой поток традиционно измеряется методом отношения Боуэна, а в последнее время, начиная с середины 1900-х годов, методом ковариации вихрей.
История
Слово "латентный" происходит от латинского latēns, что означает "скрытый". Термин "латентное тепло" был введен в калориметрию около 1750 года Джозефом Блэком, по заказу производителей шотландского виски, искавших оптимальное соотношение топлива и воды для процесса дистилляции, для изучения изменений в системе, таких как объем и давление, при поддержании термодинамической системы на постоянной температуре в тепловой ванне. Блэк сравнивал изменение температуры двух одинаковых объемов воды, нагретых одинаковым способом, один из которых, например, был получен путем плавления льда, а другой – нагревом из просто холодного жидкого состояния. Сравнивая полученные температуры, он заключал, что температура образца, полученного из расплавленного льда, была на 140 °F ниже, чем у другого образца, следовательно, плавление льда поглощало 140 "градусов тепла", которые не регистрировались термометром, но должны были быть предоставлены, то есть были "латентными" (скрытыми). Блэк также установил, что количество латентного тепла, необходимое для кипячения дистиллята (определяя тем самым требуемое количество топлива), также должно быть поглощено для его повторной конденсации (определяя тем самым необходимое количество охлаждающей воды). Позже Джеймс Прескотт Джоул охарактеризовал латентную энергию как энергию взаимодействия частиц в определенной конфигурации, то есть как форму потенциальной энергии, а тепло, воспринимаемое термометром, – как энергию, связанную с тепловой энергией.
Таблица специфических латентных тепловых потоков
В следующей таблице приведены удельные скрытые теплоты и температуры изменения фазового состояния (при стандартном давлении) некоторых распространенных жидкостей и газов. Вещество Удельная скрытая теплота плавления (кДж/кг) Температура плавления (°C) Удельная скрытая теплота испарения (кДж/кг) Температура кипения (°C) Этиловый спирт 108 −114 855 78.3 Аммиак 332.17 −77.7 41369 −33.34 Диоксид углерода 184 −78 574 78.46 Гелий 21 −268.93 Водород 58 −259 455 −253 Свинец 23.03 27.5 871 1750 Метан 59 −182.65 11 −161.6 Азот 25.7 −210 200 −196 Кислород 13.9 −219 213 −183 Хладагент R134a −101 215.9 −26.6 Хладагент R152a −116 326.5 −25 Кремний 1790 1414 12800 3265 Толуол 72.1 −93 351 110.6 Терпентин 293 154 Вода 334 0 2264.7 100
Изменение температуры (или давления)
По мере повышения температуры (или давления) до критической точки, скрытая теплота парообразования стремится к нулю.