11.12: 熱・冷却曲線

環境から隔離された物質に熱の変化を与えると、それに応じて物質の温度や位相が変化します。これらは加熱・冷却曲線のグラフで表せます。

例えば、熱を加えると固体の温度が上昇するが、吸収される熱量は固体の熱容量に依存する（q = mc_solidΔT）。熱化学によれば、物質が吸収または放出する熱量qとそれに伴う温度変化 ΔTの関係は次のようになります。

ここでmは物質の質量、cはその比熱です。この関係は、物質が加熱されたり冷却されたりする場合に適用されるが、状態が変化することはありません。

温度が十分に高くなると、固体は溶け始めます(図1の点A)。吸収される熱は固体の熱容量（q＝mc_solidΔT）に依存し、融点で水平状態となります。この水平状態は固体から液体への状態変化を示しており、その間は融解熱（q＝mΔH_融解）によって温度が上昇することはありません。つまり、さらなる熱の増加は、分子の運動エネルギーの増加ではなく、分子間引力の減少の結果です。その結果、物質の状態が変化しても、その温度は一定となります。

固体が完全に溶けると(図1の点B)、液体が温まり始め、温度が上昇していきます。吸収される熱量は、液体の熱容量（q＝mc_liquidΔT）に依存します。液体が沸点に達すると、液体は気化し始め（図1の点C）、熱を投入し続けても温度は一定になります。液体から気体への変化の際、液体の沸点では気化熱(q=mΔH_vap)により、別の水平状態(一定の温度)が観測されます。液体が沸騰している間は、この同じ温度が維持されます。熱の供給速度が大きくなれば、液体の温度は上がらず、むしろ沸騰の勢いが増します（急速になる）。液体がすべて気化した後、（図1の点D）、気体の温度が上昇します。

図 1. 物質の代表的な加熱曲線は、物質が熱を吸収すると生じます。温度の変化を表しています。 曲線の水平状態（温度が一定の領域）は、物質が相転移したときに現れます。

このテキストは、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 10.3 ： Phase Transitions から引用しています。

物質を加熱または冷却すると、温度変化が起こり、その後相変化が起こります。

物質を加熱すると、その分子の熱エネルギーが増加し、遷移点に達するまで温度の上昇として反映されます。

物質が十分な熱を吸収すると、その分子間の引力が克服され、一定の温度で相転移が起こります。

移行が完了すると、加熱により再び温度が上昇します。

物質から熱が除去されると、その分子の熱エネルギーの減少は、遷移点に達するまでの温度の低下に対応します。

その後、相変化中により強い分子間力が再確立されるため、温度は一定のままです。

温度変化に対する物質の挙動は、加熱曲線または冷却曲線を使用してモデル化でき、温度変化は追加された熱または除去された熱の関数としてプロットされます。

角氷で満たされたビーカーを、最初は-20°Cで考えてみましょう。熱が流れ込むと、氷の温度は着実に上昇します。氷を温める際に吸収される熱量は、氷の比熱容量によって異なります。

氷の融点に達すると、熱が絶えず流れているにもかかわらず、温度の上昇は止まります。吸収された熱の影響により、氷が完全に溶けて液体の水になるまで分子間力が弱まります。

固液平衡のプラトーは、一定温度での相転移の特徴です。プラトーの始まりと終わりの間のエンタルピーの変化は、融解プロセスに必要な熱量、つまり水の融解のエンタルピーを示しています。

溶融プロセスが完了した後、吸収された熱は、対応する温度の線形上昇をもたらします。水の比熱容量は、吸収される熱量を決定します。

沸点に達すると、温度の上昇が止まります。代わりに、吸収された熱は、水が完全に蒸発するまで、水分子間の引力を克服するのに役立ちます。

液気平衡のプラトーは、一定の温度での相転移を表します。高原の始まりと終わりの間のエンタルピーの変化は、水の気化エンタルピーです。

すべての液体が蒸気に変わった後、追加の熱により温度が再び上昇します。