Idi na sadržaj

Latentna toplota

Nepregledano
S Wikipedije, slobodne enciklopedije

Latentna toplota (također poznata kao latentna energija ili toplota transformacije) je energija koju oslobađa ili apsorbuje tijelo ili termodinamički sistem tokom procesa na konstantnoj temperaturi - obično faznog prelaza prvog reda, poput topljenja ili kondenzacije.

Latentna toplota se može shvatiti kao skrivena energija koja se dovodi ili ekstrahuje da bi se promijenilo stanje supstance bez promjene njene temperature ili pritiska. To uključuje latentnu toplotu fuzije (iz čvrstog u tečno stanje), latentnu toplotu isparavanja (iz tečnog u plinovito stanje) i latentnu toplotu sublimacije (iz čvrstog u plinovito stanje).[1][2]

Termin je uveo oko 1762. godine škotski hemičar Joseph Black. Black je koristio termin u kontekstu kalorimetrije gdje je prijenos toplote uzrokovao promjenu volumena tijela dok je njegova temperatura bila konstantna.

Za razliku od latentne toplote, osjetna toplota je energija prenesena kao toplota, sa rezultirajućom promjenom temperature tijela.

Upotreba

[uredi | uredi izvor]

Šablon:Water temperature vs heat added.svg Termini „osjetna toplota“ i „latentna toplota“ odnose se na energiju koja se prenosi između tijela i njegove okoline, definiranu pojavom ili nepojavljivanjem promjene temperature; oni zavise od svojstava tijela. Osjetna toplota se osjeća u procesu kao promjena temperature tijela. Latentna toplota je energija koja se prenosi u procesu bez promjene temperature tijela, na primjer, u promjeni faze (čvrsto/tečno/gasovito).

I osjetna i latentna toplota se opažaju u mnogim procesima prijenosa energije u prirodi. Latentna toplota je povezana s promjenom faze atmosferske ili okeanske vode, isparavanjem, kondenzacijom, smrzavanjem mili topljenjem, dok je osjetna toplota prenesena energija koja je evidentna u promjeni temperature atmosfere ili okeana, ili leda, bez tih promjena faze, iako je povezana s promjenama pritiska i zapremine.

Prvobitna upotreba termina, kako ju je uveo Black, primijenjena je na sisteme koji su namjerno održavani na konstantnoj temperaturi. Takva upotreba se odnosila na „latentnu toplotu širenja“ i nekoliko drugih srodnih latentnih toplota. Ove latentne toplote su definisane nezavisno od konceptualnog okvira termodinamike.[3]

Kada se tijelo zagrijava na konstantnoj temperaturi toplinskim zračenjem u mikrovalnom polju, naprimjer, ono se može proširiti za količinu opisanu njegovom „latentnom toplotom u odnosu na volumen“ ili „latentnom toplotom širenja“, ili povećati svoj pritisak za količinu opisanu njegovom „latentnom toplotom u odnosu na pritisak“.[4]

Latentna toplota je energija koju tijelo ili termodinamički sistem oslobađa ili apsorbuje tokom procesa na konstantnoj temperaturi. Dva uobičajena oblika latentne toplote su latentna toplota fuzije (topljenje) i latentna toplota isparavanja (ključanje). Ovi nazivi opisuju smjer protoka energije pri prelasku iz jedne faze u drugu: iz čvrste u tečnu i iz tečne u gasovitu.

U oba slučaja promjena je endotermna, što znači da sistem apsorbuje energiju. Naprimjer, kada voda isparava, potreban je unos energije da bi molekule vode savladale sile privlačenja između sebe i izvršile prelazak iz vode u paru.

Ako se para zatim kondenzuje u tečnost na površini, tada se latentna energija pare apsorbovana tokom isparavanja oslobađa kao osjetna toplota tečnosti na površinu.

Velika vrijednost entalpije kondenzacije vodene pare je razlog zašto je para daleko efikasniji medij za zagrijavanje od ključale vode i opasnija je.

U meteorologiji, latentni toplotni fluks je fluks energije sa Zemljine površine u atmosferu koji je povezan sa isparavanjem ili transpiracijom vode na površini i naknadnom kondenzacijom vodene pare u troposferi. To je važna komponenta energetskog budžeta Zemljine površine. Latentni toplotni fluks se obično mjeri tehnikom Bowenovog omjera, ili u novije vrijeme od sredine 1900-ih metodom vrtložne kovarijanse.

Historija

[uredi | uredi izvor]

Pozadina

[uredi | uredi izvor]

Evaporacijsko hlađenje

[uredi | uredi izvor]
William Cullen

U 1748., U časopisu Edinburški fizički i književni eseji objavljen je izvještaj o eksperimentu škotskog ljekara i hemičara Williama Cullena. Cullen je koristio zračnu pumpu za snižavanje pritiska u posudi s dietil-eterom. Eteru nije oduzimana toplota, ali je ključao, ali se njegova temperatura smanjivala.[5][6] I 1758. godine, jednog toplog dana u Cambridgeu, u Engleskoj, Benjamin Franklin i kolega naučnik John Hadley eksperimentisali su tako što su kontinuirano vlažili kuglu živinog termometra etrom i koristili mijeh za isparavanje etera.[7] Sa svakim sljedećim isparavanjem, termometar je očitavao nižu temperaturu, na kraju dostižući 7 °F. Drugi termometar je pokazao da je temperatura prostorije konstantna na 65 °F. U svom pismu Hlađenje isparavanjem, Franklin je primijetio da se "Može vidjeti mogućnost smrzavanja čovjeka do smrti tokom toplog ljetnog dana."[8]

Latentna toplota

[uredi | uredi izvor]
Joseph Black

Engleska riječ latent potiče iz latinskog latēns, što znači ležati skriven.[9][10] Termin "latentna toplota" uveden je u kalorimetriju oko 1750. godine od strane Joseph Black, kojeg su angažovali proizvođači škotskog viskija u potrazi za idealnim količinama goriva i vode za njihov proces destilacije kako bi proučavali promjene u sistemu, kao što su volumen i pritisak, kada se termodinamički sistem drži na konstantnoj temperaturi u termalnoj kupki.

Bilo je poznato da kada temperatura zraka poraste iznad tačke smrzavanja - on tada postaje očigledan izvor toplote – snijeg se topi vrlo sporo, a temperatura otopljenog snijega je blizu tačke smrzavanja.[5] Godine 1757. Black je počeo istraživati da li je, dakle, toplota potrebna za topljenje čvrste materije, nezavisno od bilo kakvog porasta temperature. Koliko je Black znao, opće mišljenje u to vrijeme bilo je da je topljenje neizbježno praćeno malim porastom temperature i da nije potrebna dodatna toplota osim one koju bi ovo povećanje temperature samo po sebi zahtijevalo. Međutim, ubrzo je Black uspio pokazati da je tokom topljenja potrebno mnogo više toplote nego što se može objasniti samim porastom temperature.[11][12] Također je uspio pokazati da tekućina oslobađa toplotu tokom smrzavanja; opet, mnogo više nego što se moglo objasniti samo smanjenjem njene temperature.[13]

Black bi uporedio promjenu temperature dvije identične količine vode, zagrijane na identičan način, od kojih je jedna, recimo, otopljena iz leda, dok je druga zagrijana iz samo hladnog tečnog stanja. Upoređujući rezultirajuće temperature, mogao bi zaključiti da je, naprimjer, temperatura uzorka otopljenog iz leda bila 140 °F niža od drugog uzorka, te je topljenjem leda apsorbovalo 140 "stepeni toplote" koje termometar nije mogao izmjeriti, a trebalo ih je dovesti, te je stoga bio "latentan" (skriven). Black je također zaključio da se onoliko latentne toplote koliko je uvedeno u ključanje destilata (čime se dobija potrebna količina goriva) mora apsorbovati i za njegovu ponovnu kondenzaciju (čime se dobija potrebna voda za hlađenje).[14]

Kvantificiranje latentne toplote

[uredi | uredi izvor]

U 1762., Black je objavio sljedeće istraživanje i rezultate društvu profesora na Univerzitetu u Glasgowu.[15] Black je stavio jednake mase leda na 0 °C (32 °F) i vode na 0,6 °C (33 °F) respektivno u dvije identične, dobro odvojene posude. Voda i led su bili ravnomjerno zagrijani na 40 °F zrakom u prostoriji, koji je imao konstantnih 8 °C (47 °F). Voda je stoga primila 40–33=7 "stepeni toplote". Led je zagrijavan 21 put duže i stoga je primio 7×21=147 "stepeni toplote".<refn|group=lower-alpha|Ovi „stepeni toplote“ su zavisili od konteksta i mogli su se koristiti samo kada su okolnosti bile identične - osim jednog različitog faktora koji je trebalo istražiti. Kada je Black istraživao specifičnu toplotu, „stepeni toplote“ su se zasnivali na promjeni temperature pomnoženoj s masom. Kada je Black istraživao latentnu toplotu, oni su se zasnivali na promjeni temperature pomnoženoj s proteklim vremenom. Jasno je da ove jedinice nisu bile ekvivalentne.}} Temperatura leda se povećala za 8 °F. Led je tako apsorbovao 8 „stepeni toplote“, koje je Black nazvao „osjetnom toplotom“, što se manifestuje kao porast temperature, što se može osjetiti i izmjeriti. Pored toga, 147 – 8 = 139 „stepeni toplote“ je apsorbovano kao „latentna toplota“, što se manifestuje kao fazna promjena, a ne kao promjena temperature.[16][17]

Black je zatim pokazao da je potrebna temperatura vode od 176 °F, da bi se otopila jednaka masa leda sve dok ne dostigne temperaturu od 32 °F. Dakle, sada se čini da je potrebno 176–32 = 144 "stepena toplote" da bi se otopio led. Moderna vrijednost za toplotu topljenja leda bila bi 143 "stepena toplote" na istoj skali (79,5 "stepeni toplote Celzijusa").[15][18]

Konačno, Black je povećao temperaturu mase vode, a zatim ispario jednaku masu vode ravnomjernim zagrijavanjem. Pokazao je da je za isparavanje potrebno 830 "stepeni toplote"; opet na osnovu potrebnog vremena. Moderna vrijednost toplote isparavanja vode bila bi 967 "stepeni toplote" na istoj skali.[19]

James Prescott Joule

[uredi | uredi izvor]

Kasnije je James Prescott Joule okarakterizirao latentnu energiju kao energiju interakcije u datoj konfiguraciji čestica, tj. oblik potencijalne energije, a osjetnu toplotu kao energiju koju je pokazivao termometar,[20] povezujući ovo drugo sa toplotnom energijom.

Specifična latentna toplota

[uredi | uredi izvor]

„Specifična“ latentna toplota („L“) izražava količinu energije u obliku toplote („Q“) potrebnu za potpunu faznu promjenu jedinice mase („m“), obično 1kg, supstance kao intenzivno svojstvo:

Intenzivna svojstva su karakteristike materijala i ne zavise od veličine ili obima uzorka. U literaturi se često navode i tabelarno prikazuju specifična latentna toplota topljenja i specifična latentna toplota isparavanja za mnoge supstance.

Iz ove definicije, latentna toplota za datu masu supstance izračunava se kao

gdje:

Q je količina energije oslobođene ili apsorbirane tokom promjene faze supstance (u kJ ili u BTU),
m je masa supstance (u kg ili u lb), i
L je specifična latentna toplota za određenu supstancu (u kJ kg−1 ili u BTU lb−1), bilo Lf za fuziju, ili Lv za isparavanje.

Tabela specifičnih latentnih toplota

[uredi | uredi izvor]

Sljedeća tabela prikazuje specifične latentne toplote i promjenu faznih temperatura (pri standardnom pritisku) nekih uobičajenih fluida i plinova.

Supstanca Specifična latentna toplota
Fuzija
(kJ/kg)		 Tačka topljenja
(°C)		 Specifična latentna toplota isparavanja
(kJ/kg)		 Tačka ključanja
(°C)!Tačka ključanja
(K)		 Specifična latentna toplota od
Sublimacija
(kJ/kg)
Etil-alkohol 108 −114 855 78,3 351,45  
Amonijak 332,17 −77,74 1369 −33,34 239,81  
Ugljik-dioksid 184 −78 574 −78.46 194,69 570 [21]
Helij     21 −268,93 4,22  
Vodik(2) 58 −259 455 −253 20,15  
Olovo[22] 23,0 327,5 871 1750 2023,15  
Metan 59 −182,6 511 −161,6 111,55  
Dušik 25,7 −210 200 −196 77,15  
Kisik 13,9 −219 213 −183 90,15  
Rashladno sredstvo R134a   −101 215,9 −26,6 246,55  
Rashladno sredstvo R152a   −116 326,5 −25 248,15  
Silicij[23] 1790 1414 12800 3265 3538,15  
Toluen 72,1 −93 351 110,6 383,75  
Terpentin     293 154 427,15  
Mravlja kiselina[24] 275,46 8,35 1010 100,75 373,9 1300
Voda 334 0 2264,705 100 373,15 2840

Specifična latentna toplota za kondenzaciju vode u oblacima

[uredi | uredi izvor]

Specifična latentna toplota kondenzacije vode u temperaturnom rasponu od −25 °C do 40 °C aproksimira se sljedećom empirijskom kubnom funkcijom:

[25]

gdje se temperatura uzima kao numerička vrijednost u °C.

Za sublimaciju i taloženje iz i u led, specifična latentna toplota je gotovo konstantna u temperaturnom rasponu od -40 °C do 0 °C i može se aproksimirati sljedećom empirijskom kvadratnom funkcijom:

[25]

Varijacija s temperaturom (ili pritiskom))

[uredi | uredi izvor]

[[Slika:Heat of Vaporization (Benzene+Acetone+Methanol+Water).png|class=skin-invert-image|thumb|280px| Temperaturna zavisnost toplota isparavanja za vodu, metanol, benzen i aceton. Kako temperatura (ili pritisak) raste do kritične tačke, latentna toplota isparavanja pada na nulu.

Također pogledajte

[uredi | uredi izvor]

Napomene

[uredi | uredi izvor]

    Reference

    [uredi | uredi izvor]
    1. ↑ Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6.
    2. ↑ Clark, John O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 0-7607-4616-8.
    3. ↑ Bryan, G.H. (1907). Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B.G. Tuebner, Leipzig, pages 9, 20–22.
    4. ↑ Maxwell, J.C. (1872). Theory of Heat, third edition, Longmans, Green, and Co., London, page 73.
    5. 1 2 West, J.B. (15. 6. 2014). "Joseph Black, carbon dioxide, latent heat, and the beginnings of the discovery of the respiratory gases". American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology (jezik: engleski). 306 (12): L1057–L1063. doi:10.1152/ajplung.00020.2014. ISSN 1040-0605. PMID 24682452.
    6. ↑ Ramsay, W. (1918). The life and letters of Joseph Black, M.D. Constable. str. 38–39.
    7. ↑ "The Writings of Benjamin Franklin: London, 1757–1775". Historycarper.com. Arhivirano s originala, 28. 1. 2011. Pristupljeno 14. 9. 2010.
    8. ↑ "Founders Online: From Benjamin Franklin to John Lining, 17 June 1758". founders.archives.gov (jezik: engleski). Pristupljeno 30. 6. 2021.
    9. ↑ Harper, Douglas. "latent". Online Etymology Dictionary.
    10. ↑ Lewis, Charlton T. (1890). An Elementary Latin Dictionary. Entry for latens.
    11. ↑ Ramsay, William (1918). The Life and letters of Joseph Black, M.D. (jezik: engleski). Constable. str. 44.
    12. ↑ Black, Joseph (1807). Robinson, John (ured.). Lectures on the Elements of Chemistry: Delivered in the University of Edinburgh (jezik: engleski). Mathew Carey. str. 111–112.
    13. ↑ Black, Joseph (1807). Robison, John (ured.). Lectures on the Elements of Chemistry: Delivered in the University of Edinburgh (jezik: engleski). Mathew Carey. str. 112.
    14. ↑ "Credit Where It's Due". James Burke. The Day the Universe Changed. BBC. br. 6. Događaj se javlja 50 (34 minutes).
    15. 1 2 Black, Joseph (1807). Robinson, John (ured.). Lectures on the Elements of Chemistry: Delivered in the University of Edinburgh (jezik: engleski). Mathew Carey. str. 120.
    16. ↑ Ramsay, W. (1918). The life and letters of Joseph Black, M.D. Constable. str. 44.
    17. ↑ Black, Joseph (1807). Robinson, John (ured.). Lectures on the Elements of Chemistry: Delivered in the University of Edinburgh (jezik: engleski). Mathew Carey. str. 115–117.
    18. ↑ Ramsay, W. (1918). The life and letters of Joseph Black, M.D. Constable. str. 45.
    19. ↑ Ramsay, W. (1918). The life and letters of Joseph Black, M.D. Constable. str. 45–46.
    20. ↑ Joule, J. P. (1884), The Scientific Paper of James Prescott Joule, The Physical Society of London, str. 274, I am inclined to believe that both of these hypotheses will be found to hold good,—that in some instances, particularly in the case of sensible heat, or such as is indicated by the thermometer, heat will be found to consist in the living force of the particles of the bodies in which it is induced; whilst in others, particularly in the case of latent heat, the phenomena are produced by the separation of particle from particle, so as to cause them to attract one another through a greater space., Lecture on Matter, Living Force, and Heat. May 5 and 12, 1847
    21. ↑ Chickos, James S.; Acree, William E. (2002). "Enthalpies of Sublimation of Organic and Organometallic Compounds. 1910–2001". Journal of Physical and Chemical Reference Data (jezik: engleski). 31 (2): 537–698. doi:10.1063/1.1475333. ISSN 0047-2689.
    22. ↑ Yaws, Carl L. (2011). Yaws' Handbook of Properties of the Chemical Elements. Knovel.
    23. ↑ Elert, Glenn (2021). "Latent Heat". The Physics Hypertextbook.
    24. ↑ "Formic acid". NIST WebBook. National Institute of Standards and Technology. Pristupljeno 31. 7. 2024.
    25. 1 2 Fitting lines and polynomial functions to data points|Polynomial curve fit]]s to Table 2.1. R. R. Rogers; M. K. Yau (1989). A Short Course in Cloud Physics (3rd izd.). Pergamon Press. str. 16. ISBN 0-7506-3215-1.

    Vanjski linkovi

    [uredi | uredi izvor]

    Šablon:HVAC

    Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Latentna_toplota&oldid=3780435"