Fordampningsvarme

Fordampningsvarme er en energimengde som kreves per masse for å omdanne en substans fra væske- til dampfase. For vann ved 100 °C og standardatmosfære er den 40,65 kJ/mol. Den varierer med temperaturen som vist i figuren.

Fordampningsvarme er temperaturavhengig. Her er fordampningsvarmen til vann, metanol, benzen og aceton vist ved ulike temperaturer.

Regn på bakken avkjøler denne når det fordamper ved å ta varme fra bakken og det nederste luftlaget. Når skyer avgir regnvann vil luften bli varmet opp ved at vanndampen fortettes til regn. Ved kondensering går dampen over til væske og kondenseringsvarmen er den samme som fordampningsvarmen ved samme de samme tilstandene.

En av de viktigste temperaturreguleringsmekanismene hos mennesket er svette. Utskilling av den vannbaserte svetten fra huden krever fordampningsvarme for å omdanne svetten til damp og temperaturen reduseres.

I en motor og i mekaniske overføringer brukes olje blant annet til temperaturregulering ved at oljen har høy fordampningsvarme og har derfor god mulighet til å unngå høy temperatur på slitepunkter. Dette kommer i tillegg til oljens varmekapasitet som effektivt fjerner varme ved å varme opp oljen som passerer det varme slitepunktet.

I en varmepumpe er det en fordamper der kuldemediet tar opp fordampningsvarme fra omgivelsene og en kondensator der kuldemediet gir fordampningsvarmen pluss varme tilført ved kompresjonen tilbake til omgivelsene.

Termodynamisk beskrivelse

Fordampningsvarmen har sitt opphav i to forskjellige, fysiske prosesser. Molekylene i væskefase befinner seg nær hverandre og blir holdt på plass ved å bli tiltrukket av andre molekyler som de ligger tett inntil. For at et molekyl skal frigjøre seg og bli til damp, må det overvinne disse kreftene. Det betyr at det må tilføres en indre energi som kan beregnes ut fra kjennskap til molekylkreftene. For 1 kg vann (1 liter) ved normaltrykk er denne energimengden ΔU  = 2088 kJ.

I tillegg må det gjøres plass til dampen ved å skyve bort den omkringliggende luften. Mens den som væske har et volum på 1 liter, vil den ved et trykk på standard trykk P = 101 kPa og temperatur på T = 373 K ha et volum på 1674 liter. Dette kan estimeres ved å anta at den er en ideell gass. For å gjøre denne utvidelsen mot lufttrykket, må dampen derfor utføre arbeidet PΔV = 101 × 10³ (N/m²) × (1674 - 1) × 10^-3 m³ = 169 kJ. Fordampningsvarmen for 1 kg vann er derfor ΔH = ΔU + PΔV = 2257 kJ. Og dette er akkurat forandringen i vannets entalpi ved faseovergangen fra væske til damp. Da vann H₂O har en molar masse på (2×1 + 16)g/mol = 18 g/mol, er den molare fordampningsvarmen lik ΔH = 2257 kJ/kg ×18 g/mol = 40,63 kJ/mol.

Når denne varmemengden blir tilført væske-damp systemet ved koketemperaturen T, øker entropien med

$\Delta S=S_{g}-S_{v}={\Delta H \over T}$

da vannmolekylene har større entropi i gassfase enn i den tettpakkete væskefasen. Så lenge fordampningen foregår, er disse to fasene i tilnærmet likevekt med ΔG = 0  hvor forandringen i Gibbs fri energi er

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

Det betyr igjen at det kjemiske potensialet er det samme i de to fasene. Dette vil opphøre så snart alle molekylene i væskefasen er fordampet. Deretter vil den rene dampen bli oppvarmet til temperaturer over kokepunktet med fortsatt tilførsel av varme.

Litteratur

• P.A. Rock, Chemical Thermodynamics, University Science Books, Oxford (1983). ISBN 0-19-855712-5.