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11.6:

相転移

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Chemistry
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Phase Transitions

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Substances typically exist in one of three phases: solid, liquid, or gas. Transitioning from one phase to another significantly changes how ordered and tightly held the molecules are. Molecules transition between different phases when their internal energy allows them to be in either state. This depends on factors like the strength of the intermolecular forces in the more-condensed state and the pressure exerted on the substance. Temperature is a reflection of internal energy, so phase transition points are often described in terms of temperature at a certain pressure. For instance, compare water and acetone. While water exhibits strong hydrogen bonds, acetone molecules display weak dipole-dipole forces. Due to the stronger forces of attraction, more heat is required to turn water into steam. This explains why at any given pressure, the boiling point of acetone is lower than that of water. Phase transitions happen molecule by molecule, so the phases coexist during the transition. Until the transition of the bulk is complete, the temperature does not change even though heat is flowing to or from the substance. A similar observation is made when heat is supplied to water. The temperature of water rises until it reaches its boiling point, at which the two phases – liquid and gas – coexist. Additional heating does not increase the temperature of the liquid water beyond its boiling point; instead, it only causes more rapid boiling. The change in energy required for one mole of a substance to completely undergo that transition without a change in temperature is called the molar heat or molar enthalpy of that transition. If a substance absorbs heat to undergo a transition, the enthalpy of the transition is positive, making it an endothermic process. Transitions in which the substance loses heat have negative enthalpy values, making them exothermic. If a substance is held at a transition point in a closed system, the opposing transition processes will reach a state of dynamic equilibrium.

11.6:

相転移

物質の状態は、固体、液体、気体のいずれにおいても、その粒子(原子、分子、イオン)の秩序と配列によって決まります。固体中の粒子は、互いに密着しており、一般にパターン化されています。粒子は固定された位置で振動していますが、隣の粒子を越えて移動したり圧迫したりすることはありません。液体では、粒子の間隔は狭いものの、ランダムに配置されています。粒子の位置は固定されておらず,隣の粒子を追い越して別の場所を占めることができます。固体や液体の状態では粒子が接近しているため、これらは凝縮状態または凝縮相と呼ばれます。これらの状態では、物質は比較的強い分子間力を示します。気体では、粒子間の引力は弱いです。気体の粒子は隣の粒子に拘束されておらず、粒子は自由に動くことができ、通常の状態では大きな距離を隔てています。

物質の内部エネルギー(分子の運動エネルギーの総和)は、凝縮相における分子間力の強さと、物質にかかる圧力に依存します。物質の内部エネルギーは、気体の状態で最も高く、固体の状態で最も低く、液体では中間となります。

相転移は、温度や圧力などの物理的条件が変化し、分子間力の強さが変化することで起こります。例えば、物質に熱を加えると、粒子の熱エネルギー(または運動エネルギー)が増大し、粒子間の引力に打ち勝つことができます。固体が溶けるのは、温度が上昇して粒子の振動が速くなり、固定されていた位置から移動できるようになったときです。この相転移を「融解」といい、この相転移が起こった点を固体の融点といいます。さらに温度が上がると、粒子の動きが速くなり、最終的には気体の状態になります。これが気化であり、その時の温度が液体の沸点となります。

相転移点と相転移に伴うエネルギー変化は、物質に存在する分子間力に依存します。一定の圧力下では、分子間力が強い物質ほど、その力に打ち勝つために多くのエネルギーを必要とし、その結果、より高い温度で相変化を起こします。温度を変えずに1モルの物質が完全に相転移するのに必要なエネルギーを、その相転移のモル熱またはモル・エンタルピーと呼びます。例えば、1モルの液体を気化させるのに必要なエネルギーは、気化のモル・エンタルピーと呼ばれます。

エネルギーを吸収して起こる遷移は発熱であり、そのエンタルピー値は負です。一方、エネルギーを放出して起こる遷移は吸熱性であり、そのエンタルピー値は正です。例えば、気化のモル・エンタルピーは正、凝縮のモル・エンタルピーは負です。

物質は分子ごとに相を変えていくため、相転移の間は2つの相が共存し、熱を供給し続けても物質の温度は一定に保たれます。バルクの相転移が完了すると、物質の温度は上昇します。

閉鎖系で相転移が起こると、相反する相転移が同じ割合で起こり、動的平衡状態になります。