Latent värmefysik

Latent värme, energi som absorberas eller frigörs av ett ämne under en förändring i dess fysiska tillstånd (fas) som inträffar utan att ändra dess temperatur. Det latenta värmet associerat med att smälta ett fast ämne eller frysa en vätska kallas fusionsvärmen; det som är förknippat med att förånga en vätska eller ett fast ämne eller kondensera en ånga kallas förångningsvärmen. Den latenta värmen uttrycks normalt som mängden värme (i enheter av joule eller kalorier) per mol eller enhetsmassa av ämnet som genomgår en förändring av tillståndet.

Till exempel, när en kruka med vatten hålls kokande förblir temperaturen vid 100 ° C (212 ° F) tills den sista droppen förångas, eftersom allt värme som tillsätts vätskan absorberas som latent förångningsvärme och transporteras bort av de utströmmande ångmolekylerna. På samma sätt, medan is smälter, förblir det vid 0 ° C (32 ° F), och det flytande vattnet som bildas med det latenta fusionsvärmet är också vid 0 ° C. Smältvärmen för vatten vid 0 ° C är ungefär 334 joule (79,7 kalorier) per gram, och förångningsvärmen vid 100 ° C är cirka 2230 joule (533 kalorier) per gram. Eftersom förångningsvärmen är så stor, bär ånga en hel del termisk energi som frigörs när den kondenserar, vilket gör vatten till en utmärkt arbetsvätska för värmemotorer.

Latent värme uppstår från det arbete som krävs för att övervinna krafterna som håller samman atomer eller molekyler i ett material. Den regelbundna strukturen hos ett kristallint fast ämne upprätthålls av attraktionskrafter bland dess enskilda atomer, som svänger lite om deras genomsnittliga positioner i kristallgitteret. När temperaturen ökar blir dessa rörelser alltmer våldsamma tills de attraktiva krafterna vid smältpunkten inte längre är tillräckliga för att bibehålla kristallgitterets stabilitet. Ytterligare värme (det latenta fusionsvärmet) måste emellertid tillsättas (vid konstant temperatur) för att åstadkomma övergången till det ännu mer störande vätsketillståndet, i vilket de enskilda partiklarna inte längre hålls i fasta gitterpositioner utan är fria för att röra sig genom vätskan. En vätska skiljer sig från en gas genom att attraktionskrafter mellan partiklarna fortfarande är tillräckliga för att upprätthålla en långsiktig ordning som ger vätskan en grad av sammanhållning. När temperaturen ytterligare ökar uppnås en andra övergångspunkt (kokpunkten) där ordningen med lång räckvidd blir instabil relativt de i stort sett oberoende rörelserna för partiklarna i den mycket större volymen som upptas av en ånga eller gas. Återigen måste ytterligare värme (det latenta förångningsvärmen) tillsättas för att bryta vätskans långsiktiga ordning och åstadkomma övergången till det i stort sett störda gasformiga tillståndet.

Latent värme är förknippat med andra processer än förändringar bland de fasta, flytande och ångfaserna för en enda substans. Många fasta ämnen finns i olika kristallina modifieringar, och övergångarna mellan dessa involverar vanligtvis absorption eller utveckling av latent värme. Processen att lösa en substans i en annan involverar ofta värme; om lösningsprocessen är en strikt fysisk förändring är värmen en latent värme. Ibland åtföljs emellertid processen av en kemisk förändring, och en del av värmen är den som är associerad med den kemiska reaktionen. Se även smältning.