11.12
Krzywe ogrzewania i chłodzenia
Kiedy substancja odizolowana od otoczenia poddawana jest zmianom ciepła, obserwuje się odpowiadające im zmiany temperatury i fazy substancji. Jest to…
Ogrzewanie lub chłodzenie substancji prowadzi do zmian temperatury, a następnie zmian fazowych.
Ogrzewanie substancji zwiększa energię cieplną jej cząsteczek, co jest odzwierciedlane jako wzrost temperatury, aż osiągnie punkt przejścia.
Gdy substancja pochłonie wystarczającą ilość ciepła, siły przyciągania między jej cząsteczkami zostają pokonane, co prowadzi do przemiany fazowej w stałej temperaturze.
Po zakończeniu przejścia ogrzewanie powoduje ponowny wzrost temperatury.
Kiedy ciepło jest usuwane z substancji, spadek energii cieplnej jej cząsteczek odpowiada spadkowi temperatury, aż osiągnie ona punkt przejścia.
Następnie temperatura pozostaje stała, ponieważ silniejsze siły międzycząsteczkowe są ponownie ustanawiane podczas przemiany fazowej.
Zachowanie substancji w odpowiedzi na zmiany temperatury można modelować za pomocą krzywych grzewczych lub krzywych chłodzenia, gdzie zmiana temperatury jest wykreślana jako funkcja ciepła dodanego lub ciepła usuniętego.
Weźmy pod uwagę zlewkę wypełnioną kostkami lodu, początkowo w temperaturze -20 °C. W miarę napływu ciepła temperatura lodu stale rośnie. Ilość ciepła pochłoniętego podczas ogrzewania lodu zależy od właściwej pojemności cieplnej lodu.
Po osiągnięciu temperatury topnienia lodu temperatura przestaje rosnąć pomimo stale płynącego ciepła. Efekty pochłoniętego ciepła osłabiają siły międzycząsteczkowe, aż do momentu, gdy lód całkowicie stopi się w ciekłą wodę.
Plateau równowagi ciało stałe-ciecz jest charakterystyczne dla przemiany fazowej w stałej temperaturze. Zmiana entalpii między początkiem a końcem plateau wskazuje ilość ciepła potrzebną do procesu topnienia lub innymi słowy, entalpię topnienia wody.
Po zakończeniu procesu topnienia pochłonięte ciepło powoduje odpowiedni liniowy wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa wody decyduje o ilości pochłoniętego ciepła.
W temperaturze wrzenia temperatura przestaje rosnąć. Zamiast tego pochłonięte ciepło przyczynia się do pokonania sił przyciągania między cząsteczkami wody, aż do całkowitego odparowania wody.
Plateau równowagi ciecz-gaz reprezentuje przemianę fazową w stałej temperaturze. Zmiana entalpii między początkiem a końcem płaskowyżu to entalpia parowania wody.
Po tym, jak cała ciecz zamieni się w parę, dodatkowe ciepło prowadzi do ponownego wzrostu temperatury.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does temperature remain constant during a phase transition?
During a phase transition, absorbed heat overcomes intermolecular forces rather than increasing molecular kinetic energy. The temperature stays constant until the transition completes because all heat energy goes toward breaking attractive forces between molecules. Once the phase change finishes, additional heat resumes raising temperature.
Q2: What does the plateau on a heating curve represent?
A plateau represents a phase transition occurring at constant temperature. During melting or boiling, the temperature does not rise despite continuous heat input. The plateau's length indicates the duration of the phase change, while its vertical position shows the melting or boiling point temperature.
Q3: How does specific heat capacity affect temperature change in a heating curve?
Specific heat capacity determines how much heat a substance absorbs to change temperature by one degree. Materials with higher specific heat capacities require more heat for the same temperature increase, resulting in steeper slopes on heating curves. The relationship is expressed as q equals mass times specific heat times temperature change.
Q4: What is the difference between enthalpy of fusion and enthalpy of vaporization?
Enthalpy of fusion measures heat required to melt a solid into liquid at constant temperature. Enthalpy of vaporization measures heat required to vaporize a liquid into gas at constant temperature. Vaporization typically requires significantly more energy than fusion because gas molecules are farther apart and intermolecular forces are completely overcome.
Q5: How does a cooling curve differ from a heating curve?
A cooling curve plots temperature decrease as heat is removed from a substance, creating a mirror image of a heating curve. Like heating curves, cooling curves show plateaus at phase transitions where temperature remains constant as intermolecular forces re-establish. The slopes reflect specific heat capacities of each phase during cooling.
Q6: Why does boiling become more vigorous when heat is applied faster?
When heat is supplied at a greater rate during boiling, the temperature remains constant because the substance is already at its boiling point. Instead of raising temperature, excess heat accelerates the vaporization process, causing more vigorous bubble formation. The temperature plateau persists until all liquid has transformed into gas.
Q7: What determines the slope of a heating curve between phase transitions?
The slope between phase transitions depends on the specific heat capacity of the phase being heated. Solids, liquids, and gases have different specific heat capacities, producing different slopes. A steeper slope indicates lower specific heat capacity, meaning less heat is needed to raise temperature by one degree.