11.12: Krzywe ogrzewania i chłodzenia

Kiedy substancja – odizolowana od otoczenia – jest poddawana zmianom cieplnym, obserwuje się odpowiednie zmiany temperatury i fazy substancji; jest to graficznie przedstawione przez krzywe ogrzewania i chłodzenia.

Na przykład dodanie ciepła podnosi temperaturę ciała stałego; ilość pochłoniętego ciepła zależy od pojemności cieplnej ciała stałego (q = mc_{ciało stałe}ΔT). Zgodnie z termochemią zależność między ilością ciepła pochłoniętego lub uwolnionego przez substancję q a towarzyszącą jej zmianą temperatury, ΔT, wynosi:

gdzie m jest masą substancji, a c jest jej ciepłem właściwym. Zależność ta odnosi się do materii ogrzewanej lub chłodzonej, ale nie zmieniającej stanu.

Gdy temperatura jest wystarczająco wysoka, ciało stałe zaczyna się topić (rysunek 1, punkt A). Pochłonięte ciepło zależy od pojemności cieplnej ciała stałego (q = mc_{ciało stałe}ΔT), a w jego temperaturze topnienia obserwuje się plateau. Plateau wskazuje na zmianę stanu ze stałego na ciekły, podczas której temperatura nie wzrasta pod wpływem ciepła topnienia (q = mΔH_fuzji). Innymi słowy, dalszy przyrost ciepła jest wynikiem zmniejszającego się przyciągania międzycząsteczkowego, zamiast zwiększania molekularnych energii kinetycznych. W rezultacie, gdy substancja zmienia stan, jej temperatura pozostaje stała.

Gdy ciało stałe całkowicie się stopi (rysunek 1, punkt B), ciecz zaczyna się nagrzewać i doświadcza wzrostu temperatury. Pochłonięte ciepło zależy od pojemności cieplnej cieczy (q = mc_cieczyΔT). Gdy ciecz osiągnie temperaturę wrzenia, ciecz zaczyna parować (rysunek 1, punkt C), a temperatura pozostaje stała pomimo ciągłego dopływu ciepła. Kolejny plateau (stała temperatura) obserwuje się w temperaturze wrzenia cieczy podczas przejścia cieczy w gaz pod wpływem ciepła parowania (q = mΔH_vap). Ta sama temperatura jest utrzymywana przez ciecz tak długo, jak długo się gotuje. Jeśli ciepło jest dostarczane z większą szybkością, temperatura cieczy nie wzrasta, ale zamiast tego wrzenie staje się bardziej energiczne (szybkie). Po odparowaniu całej cieczy (rysunek 1, punkt D) temperatura gazu wzrasta.

Rysunek 1. Reprezentatywna krzywa grzewcza dla substancji przedstawia zmiany temperatury, które następują, gdy substancja pochłania coraz większe ilości ciepła. Płaskowyże na krzywej (obszary o stałej temperaturze) występują, gdy substancja ulega przemianom fazowym.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 10.3: Przejścia fazowe.