I.13. 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 = căldura latentă, însemnând 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).
🔦 Observații
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
🔓 Probleme rezolvate - Călduri latente
1. Ce căldură absoarbe 100 g de gheață de la temperatura de (-20) °C până la vaporizarea completă? Se dă: cg = 2090 J/kg∙K, ca = 4200 J/kg∙K, ʌt = 334000 J/kg, ʌv = 2260000 J/kg, tt = 0 °C și tf = 100 °C.
Rezolvare:
-
Scriem datele problemei: m = 100 g = 0,1 kg
-
t1 = -20 °C
-
tt = 0 °C
-
tf = 100 °C
-
cg = 2090 J/kg∙K
-
ca = 4185 J/kg∙K
-
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 ∙ ΔT = 0,1 kg ∙ 2090 J/kgK ∙ [0 - (-20)] K = 0,1 ∙ 2090 ∙ 20 = 4.180 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 = 0,1 kg ∙ 334000 J/kg = 33.400 J
-
c) Încălzirea apei de la 0 °C până la 100 °C:
- Q3 = m ∙ ca ∙ ΔT = 0,1 kg ∙ 4185 J/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 = 0,1 kg ∙ 2260000 J/kg = 226000 J
-
Adunăm toate căldurile absorbite de gheață până la vaporizarea completă:
- Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 4180 J + 33400 J + 41850 J + 226000 J = 305430 J
2. Ce căldură cedează 500 g de aluminiu de la temperatura de 800 °C până la temperatura de 500 °C ?
Se dă:
cAl = 880 J/kgK,
ʌt = 400000 J/kg,
tt = 660 °C .
Rezolvare:
-
Scriem datele problemei:
-
m = 500 g = 0,5 kg
-
t1 = 800 °C
-
tt = ts = 660 °C
-
cAl = 880 J/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 = 0,5 kg ∙ 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 = - 0,5 kg ∙ 400000 J/kg = - 200000 J
-
c) Răcirea aluminiului solid de la 660 °C până la 500 °C:
- Q3 = m ∙ cAl ∙ ΔT = 0,5 kg ∙ 880 J/kgK ∙ (500-660) K = 0,5 ∙ 880 ∙ (-160) = - 70400 J
-
Adunăm toate căldurile cedate de aluminiu
- Qcedată = Q1 + Q2 + Q3 = - 61600 J - 200000 J - 70400 J = - 332000 J