Back to chapter

11.12:

Verwarmings- en Koelcurves

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Heating and Cooling Curves

Languages

Share

Het verwarmen of koelen van een stof leidt tot temperatuurveranderingen, gevolgd door faseveranderingen. Het verhitten van een stof verhoogt de thermische energie van zijn moleculen, wat tot uiting komt in een temperatuurstijging totdat het een overgangspunt bereikt. Als de stof voldoende warmte heeft opgenomen, worden de aantrekkingskrachten tussen de moleculen overwonnen, wat leidt tot een faseovergang bij een constante temperatuur.Als de overgang eenmaal is voltooid, resulteert verwarming in een temperatuurstijging. Wanneer warmte uit de stof wordt verwijderd, komt de afname van de thermische energie van de moleculen overeen met een temperatuurdaling, totdat het een overgangspunt bereikt. Vervolgens blijft de temperatuur constant terwijl sterkere intermoleculaire krachten worden hersteld tijdens de faseverandering.Het gedrag van een stof als reactie op temperatuurveranderingen kan worden gemodelleerd met behulp van verwarmingscurves of koelcurves, waarbij de temperatuurverandering wordt uitgezet als functie van de toegevoegde of verwijderde warmte. Denk aan een beker gevuld met ijsblokjes, aanvankelijk op 20 graden Celsius. Terwijl de warmte naar binnen stroomt, stijgt de temperatuur van het ijs gestaag.De hoeveelheid warmte die wordt opgenomen bij het opwarmen van het ijs, hangt af van de specifieke warmtecapaciteit van ijs. Zodra het smeltpunt van ijs is bereikt, stopt de temperatuur ondanks de voortdurend stromende warmte. De effecten van de geabsorbeerde warmte verzwakken de intermoleculaire krachten totdat het ijs volledig smelt tot vloeibaar water.Het plateau van vast vloeistofevenwicht is kenmerkend voor de faseovergang bij een constante temperatuur. De enthalpie-verandering tussen het begin en het einde van het plateau geeft de hoeveelheid warmte aan die nodig is voor het smeltproces, of met andere woorden, de enthalpie van fusie van water. Nadat het smeltproces is voltooid, resulteert de geabsorbeerde warmte in een overeenkomstige lineaire temperatuurstijging.De specifieke warmtecapaciteit van water bepaalt de hoeveelheid opgenomen warmte. Bij het kookpunt stopt de temperatuur met stijgen. De geabsorbeerde warmte draagt in plaats daarvan bij aan het overwinnen van de aantrekkingskracht tussen watermoleculen totdat het water volledig verdampt.Het plateau van vloeistof-gasevenwicht vertegenwoordigt de faseovergang bij een constante temperatuur. De verandering in enthalpie tussen het begin en het einde van het plateau is de enthalpie van verdamping van water. Nadat alle vloeistof is omgezet in damp, zorgt extra warmte ervoor dat de temperatuur weer stijgt.

11.12:

Verwarmings- en Koelcurves

When a substance—isolated from its environment—is subjected to heat changes, corresponding changes in temperature and phase of the substance is observed; this is graphically represented by heating and cooling curves.

For instance, the addition of heat raises the temperature of a solid; the amount of heat absorbed depends on the heat capacity of the solid (q = mcsolidΔT). According to thermochemistry, the relation between the amount of heat absorbed or released by a substance, q, and its accompanying temperature change, ΔT, is:

Eq1

where m is the mass of the substance, and c is its specific heat. The relation applies to matter being heated or cooled, but not changing state.

When the temperature is high enough, the solid begins to melt (Figure 1, point A). The heat absorbed depends on the solid’s heat capacity (q = mcsolidΔT), and a plateau is observed at its melting point. The plateau indicates a change of state from solid to liquid, during which the temperature does not rise due to the heat of fusion (q = mΔHfusion). In other words, further heat gain is a result of diminishing intermolecular attractions, instead of increasing molecular kinetic energies. Consequently, while a substance is changing state, its temperature remains constant.

Once the solid has completely melted (Figure 1, point B), the liquid starts warming and experiences a rise in temperature. The heat absorbed depends on the liquid's heat capacity (q = mcliquidΔT). When the liquid reaches its boiling point, the liquid begins to vaporize (Figure 1, point C) and the temperature remains constant despite the continued input of heat. Another plateau (constant temperature) is observed at the liquid's boiling point during the liquid to gas transition due to the heat of vaporization (q = mΔHvap). This same temperature is maintained by the liquid as long as it is boiling. If heat is provided at a greater rate, the liquid's temperature does not rise, but instead, the boiling becomes more vigorous (rapid). After all the liquid has vaporized (Figure 1, point D), the temperature of the gas increases.

Image1

Figure 1. The representative heating curve for a substance depicts changes in temperature that result as the substance absorbs increasing amounts of heat. Plateaus in the curve (regions of constant temperature) are exhibited when the substance undergoes phase transitions.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.3: Phase Transitions.