Verdampen, condenseren en soortelijke verdampingswarmte
Blok 1: Definitie en uitleg van verdampingswarmte
Definitie
De verdampingswarmte is de hoeveelheid warmte die nodig is om een bepaalde massa van een stof volledig te laten overgaan van de vloeibare naar de gasfase bij de kooktemperatuur van de stof, zonder dat daarbij de temperatuur verandert. Dezezelfde hoeveelheid warmte komt ook vrij wanneer diezelfde massa aan damp condenseert tot vloeistof bij de condensatietemperatuur.
Verdampingswarmte is dus niet afhankelijk van een temperatuursverandering, maar van een faseovergang tussen vloeistof en gas bij de karakteristieke temperatuur van de stof. In de fysica wordt deze grootheid voorgesteld door de hoofdletter [INLINE EQUATION]Q[/INLINE EQUATION] wanneer men spreekt over de totale warmtehoeveelheid, en door [INLINE EQUATION]L[/INLINE EQUATION] (of soms [INLINE EQUATION]I_\text{verdamping}[/INLINE EQUATION]) als men het heeft over de soortelijke verdampingswarmte.
Zowel bij verdampen als bij condenseren is de uitgewisselde hoeveelheid warmte gelijk, maar het proces verloopt in tegengestelde richting:
Tijdens verdampen neemt de stof warmte op uit haar omgeving om de vloeistoffase te verlaten en als damp verder te gaan.
Tijdens condenseren staat de stof warmte af aan haar omgeving zodat de gasfase weer in vloeistof kan overgaan.
Belangrijke concepten
Verdampingswarmte heeft uitsluitend betrekking op een faseovergang bij constante temperatuur.
De soortelijke verdampingswarmte is stofspecifiek en wordt doorgaans gemeten bij atmosferische druk. Voor water bedraagt deze bij 100°C ongeveer [INLINE EQUATION]2{,}26 \times 10^6~\text{J/kg}[/INLINE EQUATION].
De toegevoegde of vrijgekomen warmte verandert de inwendige energie, maar niet de temperatuur.
Zowel verdampen als condenseren zijn evenwaardige, omkeerbare processen: de hoeveelheid benodigde/veroorzaakte warmte is identiek, enkel de richting verschilt.
Formules en berekeningen
Hoewel de formele berekening in het volgende blok aan bod komt, is het hier van belang te beseffen dat de betrokken warmte proportioneel is aan de massa die van fase verandert. Temperatuurveranderingen buiten de faseovergang zelf worden bij deze berekening expliciet uitgesloten.
Praktijkvoorbeelden
Voorbeeld 1 Bij het koken van [INLINE EQUATION]1~\text{liter}[/INLINE EQUATION] water (dus [INLINE EQUATION]1~\text{kilogram}[/INLINE EQUATION]) op [INLINE EQUATION]100{\,}^\circ\mathrm{C}[/INLINE EQUATION] gaat een gedeelte van het water over in damp. Om deze volledige liter water te verdampen, is er een warmtehoeveelheid van [INLINE EQUATION]Q = m \cdot L = 1~\text{kg} \cdot 2{,}26 \times 10^6~\text{J/kg} = 2{,}26 \times 10^6~\text{J}[/INLINE EQUATION] nodig.
Voorbeeld 2 Industriële destillatietorens werken met continu stromende vloeistoffen die bij hun kooktemperatuur verdampen en elders condenseren. De warmte die bij verdampen wordt toegevoegd aan een mengsel, wordt na transport via leidingen bij het condenseren weer precies vrijgesteld. Dit warmtebeheer is essentieel voor het rendement van dergelijke systemen.
Veel gemaakte fouten
Verwarren van verdampingswarmte met smeltwarmte. Beide zijn warmtehoeveelheden voor faseovergangen, maar treden op bij verschillende temperaturen en veranderen verschillende fasen.
Niet beseffen dat de temperatuur constant blijft tijdens een faseovergang. Studenten proberen soms de temperatuurstijging te berekenen tijdens het koken, hoewel die niet verandert zolang verdamping plaatsvindt.
Aannemen dat de soortelijke verdampingswarmte niet afhangt van druk: de waarde is specifiek voor gestandaardiseerde druk en temperatuur.
Blok 2: Formule voor verdampingswarmte; gebruikte notaties en constante
Definitie
De fundamentele relatie voor de hoeveelheid warmte die nodig is om een faseovergang tussen vloeistof en gas (of omgekeerd) tot stand te brengen is:
[INLINE EQUATION]Q = L \cdot m[/INLINE EQUATION]waarbij:
[INLINE EQUATION]Q[/INLINE EQUATION] staat voor de totale warmtehoeveelheid uitgewisseld tijdens de faseovergang (meestal in joule)
[INLINE EQUATION]L[/INLINE EQUATION] is de soortelijke verdampingswarmte (of latente warmte van verdamping) in joule per kilogram
[INLINE EQUATION]m[/INLINE EQUATION] is de massa van de stof die van fase verandert, uitgedrukt in kilogram
Belangrijke concepten
De soortelijke verdampingswarmte, [INLINE EQUATION]L[/INLINE EQUATION], is een materiaaleigenschap en varieert van stof tot stof.
De eenheid van soortelijke verdampingswarmte is [INLINE EQUATION]\mathrm{J/kg}[/INLINE EQUATION]. Het getal geeft aan hoeveel joule er nodig is om één kilogram van de stof te laten overgaan van vloeistof naar damp bij de kooktemperatuur.
De totale warmtehoeveelheid [INLINE EQUATION]Q[/INLINE EQUATION] is direct evenredig met de massa: verdubbelt de massa, dan verdubbelt ook [INLINE EQUATION]Q[/INLINE EQUATION].
Voor examenvragen wordt praktisch altijd gerekend aan faseovergangen bij de standaard kook- of condensatietemperatuur, tenzij anders aangegeven.