Latent varmefysikk

Latent varme, energi absorbert eller frigjort av et stoff under en endring i dens fysiske tilstand (fase) som oppstår uten å endre temperaturen. Den latente varmen forbundet med å smelte et fast stoff eller fryse en væske kalles fusjonsvarmen; det som er forbundet med å fordampe en væske eller et fast stoff eller kondensere en damp, kalles fordampingsvarmen. Den latente varmen uttrykkes normalt som mengden varme (i enheter av joule eller kalorier) per mol eller enhetsmasse av stoffet som gjennomgår en endring av tilstanden.

For eksempel, når en gryte med vann blir kokt, forblir temperaturen ved 100 ° C (212 ° F) til siste dråpe fordamper, fordi all varmen som tilsettes væsken absorberes som latent fordampingsvarme og føres bort av de rømende dampmolekylene. Mens isen smelter, forblir den på samme måte ved 0 ° C (32 ° F), og det flytende vannet som dannes med den latente fusjonsvarmen er også ved 0 ° C. Smeltevarmen for vann ved 0 ° C er omtrent 334 joule (79,7 kalorier) per gram, og fordampningsvarmen ved 100 ° C er omtrent 2.230 joule (533 kalorier) per gram. Fordi fordampingsvarmen er så stor, bærer damp mye termisk energi som frigjøres når den kondenserer, noe som gjør vann til et utmerket arbeidsfluid for varmemotorer.

Latent varme oppstår fra arbeidet som kreves for å overvinne kreftene som holder sammen atomer eller molekyler i et materiale. Den regelmessige strukturen til et krystallinsk faststoff opprettholdes av tiltrekningskrefter blant dets individuelle atomer, som svinger litt rundt deres gjennomsnittlige posisjoner i krystallgitteret. Når temperaturen øker, blir disse bevegelsene stadig voldsomme inntil, på smeltepunktet, de attraktive kreftene ikke lenger er tilstrekkelige til å opprettholde krystallgitterets stabilitet. Imidlertid må ytterligere varme (den latente fusjonsvarmen) tilsettes (ved konstant temperatur) for å oppnå overgangen til den enda mer forstyrrede væsketilstanden, der de enkelte partikler ikke lenger holdes i faste gitterposisjoner, men er frie å bevege seg gjennom væsken. En væske skiller seg fra en gass ved at tiltrekningskreftene mellom partiklene fremdeles er tilstrekkelige til å opprettholde en rekkevidde på lang avstand som gir væsken en grad av kohesjon. Når temperaturen ytterligere økes, oppnås et andre overgangspunkt (kokepunktet) der rekkevidden for lang rekkevidde blir ustabil i forhold til de stort sett uavhengige bevegelsene til partiklene i det mye større volum okkupert av en damp eller en gass. Nok en gang må ytterligere varme (den latente fordampningsvarmen) tilsettes for å bryte væskens lang rekkevidde og oppnå overgangen til den stort sett forstyrrede gassformige tilstanden.

Latent varme er assosiert med andre prosesser enn endringer blant faststoff, væske og dampfaser av et enkelt stoff. Mange faste stoffer finnes i forskjellige krystallinske modifikasjoner, og overgangene mellom disse involverer vanligvis absorpsjon eller utvikling av latent varme. Prosessen med å løse opp et stoff i et annet involverer ofte varme; hvis løsningsprosessen er en strengt fysisk endring, er varmen en latent varme. Noen ganger er prosessen imidlertid ledsaget av en kjemisk endring, og en del av varmen er den som er forbundet med den kjemiske reaksjonen. Se også smelting.