11.12: Кривые нагрева и охлаждения

Когда вещество, изолированное от окружающей среды, подвергается изменениям температуры, наблюдаются соответствующие изменения температуры и фазы вещества; это графически представлено кривыми нагрева и охлаждения.

Например, добавление тепла повышает температуру твердого тела; количество поглощенного тепла зависит от теплоемкости твердого тела (q = mcsolidΔT). По данным термохимии, соотношение между количеством тепла, поглощенного или выделяемого веществом q, и сопутствующим им изменением температуры, ΔT, составляет:

где m — масса вещества, а c — её удовое тепло. Отношение применимо к нагретым или охлажденным веществам, но не к изменению состояния.

Когда температура достаточно высокая, твердое тело начинает плавиться (рис. 1, пункт A). Поглощение тепла зависит от теплоемкости твердого тела (q = mcsolidΔT), и в точке плавления наблюдается плато. Плато указывает на изменение состояния с твердого на жидкое, в течение которого температура не поднимается из-за тепла плавления (q = mΔHfusion). Другими словами, дальнейшее повышение температуры является результатом уменьшения межмолекулярных аттракционов, вместо увеличения молекулярной кинетической энергии. Следовательно, в то время как вещество изменяется, его температура остается постоянной.

После полного расплавления твердого вещества (рис. 1, пункт B) жидкость начинает нагревать и испытывает повышение температуры. Поглощение тепла зависит от теплоемкости жидкости (q = mcliquidΔT). Когда жидкость достигает точки кипения, жидкость начинает испаряться (рис. 1, точка C), и температура остается постоянной, несмотря на продолжающийся нагрев. Другое плато (постоянная температура) наблюдается в точке кипения жидкости во время перехода жидкости к газу из-за нагрева испарения (q = mΔHvap). Эта же температура поддерживается жидкостью до тех пор, пока она кипит. Если тепло обеспечивается с большей скоростью, температура жидкости не повышается, а наоборот, кипячение становится более энергичным (быстрым). После испарения всей жидкости (рис. 1, точка D) температура газа увеличивается.

Рисунок 1. Репрезентативный график нагрева вещества показывает изменения температуры, которые приводят к поглощении вещества растущими объемами тепла. Плато в кривой (области постоянной температуры) выставляется при переходе вещества в фазу.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 10.3: Фазовые переходы.

Нагревание или охлаждение вещества приводит к изменению температуры с последующими фазовыми изменениями. Нагревание вещества увеличивает тепловую энергию его молекул, что отражается в повышении температуры, пока оно не достигнет точки перехода. Когда вещество поглотило достаточно тепла, его молекулы преодолевают силы межмолекулярного притяжения, что приводит к фазовому переходу при постоянной температуре.

После завершения перехода нагрев снова приводит к повышению температуры. При отводе тепла от вещества, уменьшение тепловой энергии его молекул соответствует падению температуры, пока оно не достигнет точки перехода. Затем температура остается постоянной, поскольку более сильные межмолекулярные силы восстанавливаются во время фазового перехода.

Поведение вещества в ответ на изменения температуры можно смоделировать с помощью кривых нагревания или охлаждения, где изменение температуры отображается как функция добавленного или отведенного тепла. Рассмотрим стакан, наполненный кубиками льда при начальной температуре минус 20 градусов Цельсия. По мере подведения тепла температура льда постепенно повышается.

Количество тепла, поглощаемого при нагревании льда, зависит от удельной теплоемкости льда. По достижении точки плавления льда температура перестает расти, несмотря на постоянный подвод тепла. Воздействие поглощенного тепла ослабляет межмолекулярные силы, пока лед полностью не перейдёт в жидкую воду.

Плато равновесия твердое тело жидкость характерно для фазового перехода при постоянной температуре. Изменение энтальпии между началом и концом плато указывает количество тепла, необходимое для процесса плавления, или, другими словами, энтальпию плавления воды. После завершения процесса плавления поглощение тепла приводит к соответствующему линейному повышению температуры.

Удельная теплоемкость воды определяет количество поглощаемого тепла. В точке кипения температура перестает расти. Вместо этого поглощенное тепло способствует преодолению сил притяжения между молекулами воды до полного испарения воды.

Плато равновесия жидкость газ представляет собой фазовый переход при постоянной температуре. Изменение энтальпии между началом и концом плато это энтальпия испарения воды. После того, как вся жидкость превратилась в пар, дополнительное тепло снова приводит к повышению температуры.