17.11: Нагрівання пароутворення та конденсації

Природними ресурсами для виробництва електроенергії традиційно є водоспади, нафта, вугілля або атомна енергетика. Проводяться дослідження для пошуку інших поновлюваних джерел для запуску генераторів. Геотермальні ділянки (такі як гейзери) розглядаються через пари, яку вони виробляють. Можливості можна оцінити, знаючи, скільки пара виділяється в даний момент часу на конкретному сайті.

Теплота пароутворення та конденсації

Енергія поглинається в процесі перетворення рідини при температурі кипіння в газ. Як і при температурі плавлення твердої речовини, температура киплячої рідини залишається постійною і надходження енергії переходить в мінливий стан. Молярна теплота\(\left( \Delta H_\text{vap} \right)\) випаровування речовини - це тепло, поглинене одним моль цієї речовини, коли воно перетворюється з рідини в газ. У міру конденсації газу в рідину виділяється тепло. Молярне тепло\(\left( \Delta H_\text{cond} \right)\) конденсації речовини - це тепло, що виділяється одним моль цієї речовини, коли воно перетворюється з газу в рідину. Оскільки випаровування і конденсація даної речовини є абсолютно протилежними процесами, числове значення молярної теплоти пароутворення таке ж, як і числове значення молярної теплоти конденсації, але протилежне за знаком. Іншими словами,\(\Delta H_\text{vap} = -\Delta H_\text{cond}\).

Коли\(1 \: \text{mol}\) вода при\(100^\text{o} \text{C}\) і\(1 \: \text{atm}\) тиску перетворюється на\(1 \: \text{mol}\) водяну пару при\(100^\text{o} \text{C}\), тепло\(40.7 \: \text{kJ}\) поглинається з навколишнього середовища. Коли\(1 \: \text{mol}\) водяна пара при\(100^\text{o} \text{C}\) конденсується до рідкої води при\(100^\text{o} \text{C}\),\(40.7 \: \text{kJ}\) тепла виділяється в навколишнє середовище.

\[\begin{array}{ll} \ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( g \right) & \Delta H_\text{vap} = 40.7 \: \text{kJ/mol} \\ \ce{H_2O} \left( g \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( l \right) & \Delta H_\text{cond} =-40.7 \: \text{kJ/mol} \end{array}\nonumber \]

Інші речовини мають різні значення для їх молярних теплот плавлення і випаровування; ці речовини зведені в таблиці нижче.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Молярні нагрівання плавлення та випаровування

Речовина	\(\Delta H_\text{fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\)	\(\Delta H_\text{vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\)
Аміак\(\left( \ce{NH_3} \right)\)	\ (\ Delta H_\ text {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >5.65	\ (\ Delta H_\ text {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >23.4
Етанол\(\left( \ce{C_2H_5OH} \right)\)	\ (\ Delta H_\ text {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >4.60	\ (\ Delta H_\ text {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >43.5
Метанол\(\left( \ce{CH_3OH} \right)\)	\ (\ Delta H_\ text {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >3.16	\ (\ Delta H_\ text {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >35.3
Кисень\(\left( \ce{O_2} \right)\)	\ (\ Delta H_\ text {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >0.44	\ (\ Delta H_\ text {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >6.82
Вода\(\left( \ce{H_2O} \right)\)	\ (\ Delta H_\ text {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >6.01	\ (\ Delta H_\ text {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="вертикальне вирівнювання: середина;" >40.7

Зверніть увагу, що для всіх речовин теплота пароутворення істотно вище теплоти плавлення. Набагато більше енергії потрібно для зміни стану з рідкого в газове, ніж з твердого на рідке. Це пов'язано з великим поділом частинок в газовому стані. Значення теплоти плавлення і випаровування пов'язані з силою міжмолекулярних сил. Всі речовини, наведені в таблиці вище, за винятком кисню, здатні до водневого зв'язку. Отже, теплоти плавлення і випаровування кисню набагато нижче інших.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Яка маса парів метанолу конденсується в рідину в міру\(20.0 \: \text{kJ}\) виділення тепла?

Рішення

Крок 1: Перерахуйте відомі величини та плануйте проблему.

Відомий

• \(\Delta H = 20.0 \: \text{kJ}\)
• \(\Delta H_\text{cond} = -35.3 \: \text{kJ/mol}\)
• Молярна маса\(\ce{CH_3OH} = 32.05 \: \text{g/mol}\)

Невідомий

Спочатку тепло,\(\text{kJ}\) що виділяється в конденсації, множиться на коефіцієнт перетворення,\(\left( \frac{1 \: \text{mol}}{-35.3 \: \text{kJ}} \right)\) щоб знайти молі метанолу, які конденсуються. Потім кроти перетворюються в грами.

Крок 2: Вирішіть.

\[-20.0 \: \text{kJ} \times \frac{1 \: \text{mol} \: \ce{CH_3OH}}{-35.3 \: \text{kJ}} \times \frac{32.05 \: \text{g} \: \ce{CH_3OH}}{1 \: \text{mol} \: \ce{CH_3OH}} = 18.2 \: \text{g} \: \ce{CH_3OH}\nonumber \]

Крок 3: Подумайте про свій результат.

Конденсація - екзотермічний процес, тому зміна ентальпії негативна. Трохи більше половини моль метанолу конденсується.

Резюме

• Молярна теплота випаровування\(\left( \Delta H_\text{vap} \right)\) - це тепло, поглинене одним молем речовини, коли воно перетворюється з рідини в газ.
• Молярне тепло конденсації\(\left( \Delta H_\text{cond} \right)\) - це тепло, що виділяється одним молем речовини, коли воно перетворюється з газу в рідину.
• Проілюстровано приклади розрахунків з молярною теплотою пароутворення та конденсації.