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11.12:

熱・冷却曲線

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Chemistry
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Heating and Cooling Curves

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Heating or cooling a substance leads to temperature changes, followed by phase changes.  Heating a substance increases its molecules' thermal energy, which is reflected as a rise in temperature until it reaches a transition point. When the substance has absorbed enough heat, the attractive forces between its molecules are overcome, leading to a phase transition at a constant temperature.  Once the transition is complete, heating results in a rise in temperature again. When heat is removed from the substance, the decrease in its molecules’ thermal energy corresponds to a drop in temperature, until it reaches a transition point. Then, the temperature remains constant as stronger intermolecular forces are re-established during the phase change. The behavior of a substance in response to temperature changes can be modeled using heating curves or cooling curves, where the temperature change is plotted as a function of the heat added or heat removed. Consider a beaker filled with ice cubes, initially at −20 °C. As heat flows in, the temperature of the ice rises steadily. The amount of heat absorbed in warming the ice depends on the specific heat capacity of ice. Once the melting point of ice has been reached, the temperature stops rising despite the continually flowing heat. The effects of the absorbed heat weaken the intermolecular forces until the ice completely melts into liquid water.  The plateau of solid–liquid equilibrium is characteristic of the phase transition at a constant temperature. The enthalpy change between the beginning and end of the plateau indicates the amount of heat needed for the melting process, or in other words, the enthalpy of fusion of water.  After the melting process is complete, the absorbed heat results in a corresponding linear rise in temperature. The specific heat capacity of water dictates the amount of heat absorbed. At the boiling point, the temperature stops rising. The absorbed heat instead contributes to overcoming the attractive forces between water molecules until the water completely vaporizes. The plateau of liquid–gas equilibrium represents the phase transition at a constant temperature. The change in enthalpy between the beginning and end of the plateau is the enthalpy of vaporization of water. After all the liquid has transformed into vapor, additional heat leads to the temperature rising again. 

11.12:

熱・冷却曲線

環境から隔離された物質に熱の変化を与えると、それに応じて物質の温度や位相が変化します。これらは加熱・冷却曲線のグラフで表せます。

例えば、熱を加えると固体の温度が上昇するが、吸収される熱量は固体の熱容量に依存する(q = mcsolidΔT)。熱化学によれば、物質が吸収または放出する熱量qとそれに伴う温度変化 ΔTの関係は次のようになります。

Eq1

ここでmは物質の質量、cはその比熱です。この関係は、物質が加熱されたり冷却されたりする場合に適用されるが、状態が変化することはありません。

温度が十分に高くなると、固体は溶け始めます(図1の点A)。吸収される熱は固体の熱容量(qmcsolidΔT)に依存し、融点で水平状態となります。この水平状態は固体から液体への状態変化を示しており、その間は融解熱(qmΔH融解)によって温度が上昇することはありません。つまり、さらなる熱の増加は、分子の運動エネルギーの増加ではなく、分子間引力の減少の結果です。その結果、物質の状態が変化しても、その温度は一定となります。

固体が完全に溶けると(図1の点B)、液体が温まり始め、温度が上昇していきます。吸収される熱量は、液体の熱容量(qmcliquidΔT)に依存します。液体が沸点に達すると、液体は気化し始め(図1の点C)、熱を投入し続けても温度は一定になります。液体から気体への変化の際、液体の沸点では気化熱(q=mΔHvap)により、別の水平状態(一定の温度)が観測されます。液体が沸騰している間は、この同じ温度が維持されます。熱の供給速度が大きくなれば、液体の温度は上がらず、むしろ沸騰の勢いが増します(急速になる)。液体がすべて気化した後、(図1の点D)、気体の温度が上昇します。

Image1

図 1. 物質の代表的な加熱曲線は、物質が熱を吸収すると生じます。温度の変化を表しています。 曲線の水平状態(温度が一定の領域)は、物質が相転移したときに現れます。

このテキストは、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 10.3 : Phase Transitions から引用しています。