Back to chapter

11.12:

עקומות חימום וקירור

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

חימום או קירור חומר מובילים לשינויים בטמפרטורה, ובעקבות זאת לשינויי מצב. חימום חומר מעלה את האנרגיה התרמית של המולקולות שלו, שבא לידי ביטוי בעליית טמפרטורה עד שהחומר מגיע לנקודת מעבר. כשחומר סופג מספיק חום, ניתן להתגבר על כוחות המשיכה בין המולקולות שלו ולהוביל לשינוי מצב צבירה בטמפרטורה קבועה.ברגע ששינוי מצב הצבירה מושלם, חימום מוביל לעלייה נוספת בטמפרטורה. כשמפחיתים חום מחומר, הירידה באנרגיה התרמית של המולקולות שלו תואמת לירידה בטמפרטורה, עד שהוא מגיע לנקודת מעבר. אז הטמפרטורה נשארת קבועה בעת שכוחות בין-מולקולריים חזקים נוצרים במהלך שינוי מצב הצבירה.ניתן לייצג התנהגות של חומר בתגובה לשינויי טמפרטורה באמצעות עקומות חימום או עקומות קירור, שבהן שינוי הטמפרטורה משורטט כפונקציה של החום שנוסף או הופחת. חשבו על כוס כימית מלאה בקוביות קרח, תחילה במינוס 20 מעלות צלזיוס. כשהחום זורם פנימה, טמפרטורת הקרח עולה בהתמדה.כמות החום הנספגת במהלך חימום הקרח תלויה בקיבולת החום הספציפית של קרח. ברגע שהקרח הגיע לנקודת ההתכה, הטמפרטורה מפסיקה לעלות למרות החום הזורם ללא הרף. ההשפעה של החום הנספג היא החלשה של הכוחות הבין מולקולריים עד שהקרח מותך לגמרי והופך למים במצב נוזל.העקומה הישרה של שיווי משקל בין מוצקים לנוזלים מאפיינת את שינוי מצב הצבירה בטמפרטורה קבועה. השינוי באנתלפיה בין תחילת העקומה לסופה מייצג את כמות החום הדרוש לתהליך הההתכה, או במילים אחרות, האנתלפיה של היתוך מים. כשתהליך ההיתוך מושלם, החום הנספג גורם לעלייה לינארית מקבילה בטמפרטורה.קיבולת החום הסגולית של מים מכתיבה את כמות החום הנספגת. בנקודת הרתיחה, הטמפרטורה מפסיקה לעלות. במקום לעליית טמפרטורה, החום הנספג תורם להתגברות על כוחות המשיכה בין מולקולות מים עד שהמים מתאדים לחלוטין.העקומה הישרה בשיווי משקל של נוזל וגז מייצגת את שינוי מצב הצבירה בטמפרטורה קבועה. השינוי באנתלפיה בין תחילת הרמה לסופה הוא האנתלפיה של אידוי מים. לאחר שכל הנוזל מתאדה, חום נוסף מוביל לעלייה נוספת בטמפרטורה.

11.12:

עקומות חימום וקירור

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.