Fordampningsvarme

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Fordampningsvarme er temperaturavhengig. Her er fordampningsvarmen til vann, metanol, benzen og aceton vist ved ulike temperaturer.

Fordampningsvarme er en energimengde som kreves per vektenhet for å omdanne en væske ved vanlig kokepunktstemperatur til damp. For vann ved 100 °C er den 40,65 kJ/mol. Den varierer litt med temperaturen som vist i figuren.

Ved kondensering vil dampen gå over til væske og vil avgi like mye varme som fordampningsvarme til omgivelsene. I regnvær vil regnet på bakken avkjøle bakken når regnvannet på bakken fordamper ved å ta fordampningsvarme fra bakken og det nederste luftlaget. Oppe i en sky som avgir regnvann vil luften bli varmet opp når vanndampen fortettes til regn.

En av de viktigste temperaturreguleringsmekanismene hos mennesket er svette. Utskilling av vann fra svettekjertlene ved høy kroppstemperatur krever fordampningsvarme for å omdanne svetten til damp og temperaturen reduseres.

I en motor og i mekaniske overføringer brukes olje blant annet til temperaturregulering ved at oljen har høy fordampningsvarme og har derfor god mulighet til å unngå høy temperatur på slitepunkter. Dette kommer i tillegg til oljens varmekapasitet som effektivt fjerner varme ved å varme opp oljen som passerer det varme slitepunktet.

I en varmepumpe er det en kondensator der kuldemediet avgir fordampningsvarme til omgivelsene, og en fordamper der kuldemediet tar opp fordampningsvarme fra omgivelsene.

Termodynamisk bakgrunn[rediger | rediger kilde]

Fordampningsvarmen har sitt opphav i to forskjellige, fysiske prosesser. Molekylene i væskefasen befinner seg nærme hverandre og blir holdt på plass ved å bli tiltrukket av andre molekyler som de ligger tett inntil. For at et molekyl skal frigjøre seg og bli en del av væskedampen, må det overvinne disse kreftene. Det betyr at det må tilføres en indre energi som kan beregnes ut fra kjennskap til molekylkreftene. For 1 kg vann (1 liter) er denne energimengden ΔU  = 2088 kJ.

I tillegg må det gjøres plass til dampen ved å skyve bort den omkringliggende luften. Mens den som væske har et volum på 1 liter, vil den ved et trykk på standard trykk P = 101 kPa og temperatur på T = 373 K ha et volum på 1674 liter. Dette kan finnes ved å anta at den er en ideell gass. For å gjøre denne utvidelsen mot lufttrykket, må dampen derfor utføre arbeidet PΔV = 101 × 103 (N/m2) × (1674 - 1) × 10-3 m3 = 169 kJ. Fordampningsvarmen for 1 kg vann er derfor ΔH = ΔU + PΔV = 2257 kJ. Og dette er akkurat forandringen i vannets entalpi ved faseovergangen fra væske til damp. Da vann H2O har en molar masse på (2×1 + 16)g/mol = 18 g/mol, er den molare fordampningsvarmen lik ΔH = 2257 kJ/kg ×18 g/mol = 40,63 kJ/mol.

Når denne varmemengden blir tilført væske-damp systemet ved koketemperaturen T, øker entropien med

 \Delta S = S_g - S_v =  {\Delta H\over T}

da vannmolekylene har større entropi i gassfasen enn i den tettpakkete væskefasen. Så lenge fordampningen foregår, er disse to fasene i tilnærmet likevekt med ΔG = 0  hvor forandringen i Gibbs fri energi er

 \Delta G = \Delta H - T\Delta S

Det betyr igjen at det kjemiske potensialet er det samme i de to fasene. Dette vil opphøre så snart alle molekylene i væskefasen er fordampet. Deretter vil den rene dampen bli oppvarmet til temperaturer over kokepunktet med fortsatt tilførsel av varme.

Litteratur[rediger | rediger kilde]

  • P.A. Rock, Chemical Thermodynamics, University Science Books, Oxford (1983). ISBN 0-19-855712-5.