Ciepło utajone

Ciepło utajone, energia zaabsorbowana lub uwolniona przez substancję podczas zmiany jej stanu fizycznego (fazy), która zachodzi bez zmiany jej temperatury. Ciepło utajone związane z topnieniem ciała stałego lub zamarzaniem cieczy nazywane jest ciepłem syntezy; ciepło związane z parowaniem cieczy lub ciała stałego lub skraplaniem pary nazywane jest ciepłem parowania. Ciepło utajone jest zwykle wyrażane jako ilość ciepła (w jednostkach dżuli lub kalorii) przypadająca na mol lub jednostkę masy substancji ulegającej zmianie stanu.

Na przykład, gdy garnek z wodą jest utrzymywany w stanie wrzenia, temperatura pozostaje na poziomie 100 °C (212 °F), dopóki ostatnia kropla nie wyparuje, ponieważ całe ciepło dodawane do cieczy jest pochłaniane jako ciepło utajone parowania i odprowadzane przez uciekające cząsteczki pary. Podobnie, gdy lód się topi, pozostaje w temperaturze 0°C (32°F), a woda w stanie ciekłym, która powstaje w wyniku utajonego ciepła syntezy, również ma temperaturę 0°C. Ciepło syntezy dla wody w temperaturze 0 °C wynosi około 334 dżuli (79,7 kalorii) na gram, a ciepło parowania w temperaturze 100 °C wynosi około 2 230 dżuli (533 kalorii) na gram. Ponieważ ciepło parowania jest tak duże, para wodna niesie ze sobą dużą ilość energii cieplnej, która jest uwalniana podczas kondensacji, co czyni wodę doskonałą cieczą roboczą dla silników cieplnych.

Ciepło utajone powstaje w wyniku pracy wymaganej do pokonania sił, które utrzymują razem atomy lub cząsteczki w materiale. Regularna struktura krystalicznego ciała stałego jest utrzymywana przez siły przyciągania pomiędzy poszczególnymi atomami, które nieznacznie oscylują wokół swoich średnich pozycji w sieci krystalicznej. Wraz ze wzrostem temperatury ruchy te stają się coraz bardziej gwałtowne, aż w temperaturze topnienia siły przyciągania nie są już wystarczające do utrzymania stabilności sieci krystalicznej. Jednakże, dodatkowe ciepło (utajone ciepło syntezy) musi być dodane (w stałej temperaturze), aby osiągnąć przejście do jeszcze bardziej nieuporządkowanego stanu ciekłego, w którym poszczególne cząsteczki nie są już utrzymywane w stałych pozycjach sieciowych, ale mogą swobodnie poruszać się w cieczy. Ciecz różni się od gazu tym, że siły przyciągania między cząsteczkami są nadal wystarczające do utrzymania porządku o dużym zasięgu, który nadaje cieczy pewien stopień spójności. W miarę dalszego wzrostu temperatury, drugi punkt przejściowy (punkt wrzenia) jest osiągnięty, gdzie porządek dalekiego zasięgu staje się niestabilny w stosunku do w dużej mierze niezależnych ruchów cząsteczek w znacznie większej objętości zajmowanej przez pary lub gazu. Ponownie, dodatkowe ciepło (ciepło utajone parowania) musi być dodane, aby przełamać porządek dalekiego zasięgu w cieczy i dokonać przejścia do w dużym stopniu nieuporządkowanego stanu gazowego.

Ciepło utajone jest związane z procesami innymi niż zmiany między fazami stałą, ciekłą i parową jednej substancji. Wiele ciał stałych istnieje w różnych modyfikacjach krystalicznych, a przejścia między nimi zazwyczaj wiążą się z pochłanianiem lub wydzielaniem ciepła utajonego. Proces rozpuszczania jednej substancji w drugiej często wiąże się z wydzielaniem ciepła; jeżeli proces rozpuszczania jest zmianą czysto fizyczną, ciepło to jest ciepłem utajonym. Czasami jednak procesowi temu towarzyszy zmiana chemiczna, a część ciepła to ciepło związane z reakcją chemiczną. Zobacz też topnienie.