11.12
Isınma ve Soğuma Eğrileri
Çevresinden izole edilmiş bir madde ısı değişimlerine maruz kaldığında, maddenin sıcaklık ve fazında buna karşılık gelen değişiklikler gözlenir; bu, ı…
Bir maddenin ısıtılması veya soğutulması, sıcaklık değişikliklerine ve ardından faz değişikliklerine yol açar. Bir maddenin ısıtılması, moleküllerinin termal enerjisini arttırır ve bu, bir geçiş noktasına ulaşana kadar sıcaklıkta bir artış olarak yansıtılır. Madde yeterince ısıyı emdiğinde, molekülleri arasındaki çekici kuvvetler aşılır ve sabit bir sıcaklıkta faz geçişine yol açar.
Geçiş tamamlandığında, ısıtma yeniden sıcaklık artışına neden olur. Maddeden ısı uzaklaştırıldığında, moleküllerinin termal enerjisindeki azalma, bir geçiş noktasına ulaşana kadar sıcaklıkta bir düşüşe karşılık gelir. Daha sonra, faz değişimi sırasında daha güçlü moleküller arası kuvvetler yeniden kurulduğu için sıcaklık sabit kalır.
Bir maddenin sıcaklık değişimlerine tepki olarak davranışı, sıcaklık değişiminin eklenen veya çıkarılan ısının bir fonksiyonu olarak çizildiği ısıtma eğrileri veya soğutma eğrileri kullanılarak modellenebilir. Başlangıçta 20 Santigrat derecede buz küpleriyle dolu bir beher düşünün. İçeriye ısı girdikçe, buzun sıcaklığı giderek yükselir.
Buzun ısıtılması sırasında emilen ısı miktarı, buzun özgül ısı kapasitesine bağlıdır. Buzun erime noktasına ulaşıldığında, sürekli akan ısıya rağmen sıcaklık yükselmeyi durdurur. Soğurulan ısının etkileri, buz tamamen sıvı suya eriyene kadar moleküller arası kuvvetleri zayıflatır.
Katı-sıvı denge düzlüğü, sabit bir sıcaklıkta faz geçişinin özelliğidir. Platonun başlangıcı ve bitişi arasındaki entalpi değişimi, eritme işlemi için gereken ısı miktarını veya başka bir deyişle suyun füzyon entalpisini gösterir. Eritme işlemi tamamlandıktan sonra, emilen ısı, sıcaklıkta karşılık gelen doğrusal bir artışla sonuçlanır.
Suyun özgül ısı kapasitesi emilen ısı miktarını belirler. Kaynama noktasında sıcaklık yükselmeyi durdurur. Bunun yerine emilen ısı, su tamamen buharlaşana kadar su molekülleri arasındaki çekici kuvvetlerin üstesinden gelmeye katkıda bulunur.
Sıvı-gaz dengesi platosu, sabit bir sıcaklıkta faz geçişini temsil eder. Platonun başlangıcı ile sonu arasındaki entalpi değişimi, suyun buharlaşma entalpisidir. Tüm sıvı buhara dönüştükten sonra, ilave ısı, sıcaklığın tekrar yükselmesine neden olur.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does temperature remain constant during a phase transition?
During a phase transition, absorbed heat overcomes intermolecular forces rather than increasing molecular kinetic energy. The temperature stays constant until the transition completes because all heat energy goes toward breaking attractive forces between molecules. Once the phase change finishes, additional heat resumes raising temperature.
Q2: What does the plateau on a heating curve represent?
A plateau represents a phase transition occurring at constant temperature. During melting or boiling, the temperature does not rise despite continuous heat input. The plateau's length indicates the duration of the phase change, while its vertical position shows the melting or boiling point temperature.
Q3: How does specific heat capacity affect temperature change in a heating curve?
Specific heat capacity determines how much heat a substance absorbs to change temperature by one degree. Materials with higher specific heat capacities require more heat for the same temperature increase, resulting in steeper slopes on heating curves. The relationship is expressed as q equals mass times specific heat times temperature change.
Q4: What is the difference between enthalpy of fusion and enthalpy of vaporization?
Enthalpy of fusion measures heat required to melt a solid into liquid at constant temperature. Enthalpy of vaporization measures heat required to vaporize a liquid into gas at constant temperature. Vaporization typically requires significantly more energy than fusion because gas molecules are farther apart and intermolecular forces are completely overcome.
Q5: How does a cooling curve differ from a heating curve?
A cooling curve plots temperature decrease as heat is removed from a substance, creating a mirror image of a heating curve. Like heating curves, cooling curves show plateaus at phase transitions where temperature remains constant as intermolecular forces re-establish. The slopes reflect specific heat capacities of each phase during cooling.
Q6: Why does boiling become more vigorous when heat is applied faster?
When heat is supplied at a greater rate during boiling, the temperature remains constant because the substance is already at its boiling point. Instead of raising temperature, excess heat accelerates the vaporization process, causing more vigorous bubble formation. The temperature plateau persists until all liquid has transformed into gas.
Q7: What determines the slope of a heating curve between phase transitions?
The slope between phase transitions depends on the specific heat capacity of the phase being heated. Solids, liquids, and gases have different specific heat capacities, producing different slopes. A steeper slope indicates lower specific heat capacity, meaning less heat is needed to raise temperature by one degree.