熱物理学
融解、気化、凝縮
水の加熱曲線を調べます。傾斜部では温度が に従って上昇し、融解・沸騰ではエネルギーが相変化 に使われ温度が水平に保たれます。供給エネルギーと質量を変えて水平部分の長さを測ります。
器具
- 温度–エネルギーグラフ付きの仮想氷・水・蒸気容器
- 供給エネルギースライダー（0–100%）
- 水の質量スライダー（100–1000 g）
- 加熱段階の読み出し
手順
曲線の各区間を識別する
エネルギースライダーを 0 から動かし段階表示を読みます。最初は「氷を温める」、次に水平な「0 °C 付近で融解」、続いて「液体水を温める」、水平な「100 °C 付近で気化」、最後に「蒸気を加熱」。各区間の境界位置を記録します。
相変化の水平部を検証する
融解区間の途中で止めます。エネルギーは増えても温度は 0 °C のままです。融解の潜熱 が分子の運動エネルギーではなく結晶結合を切るからです。100 °C でも同様で、気化熱 が大きいため水平部ははるかに長くなります。
質量を変えて予測する
質量を 500 g から 1000 g に上げると、 も も質量に比例するため全区間が2倍に伸びます。300 g の水をすべて蒸発させるのに要するエネルギーを予測し、グラフで確かめます。
シミュレーション
実験の歴史
1760年代にグラスゴーで教えたジョゼフ・ブラックは、融ける氷が温度を上げずに熱を吸収することに気づき、これを「潜熱」と呼び、温度計を動かす「顕熱」と区別しました。この区別がジェームズ・ワットの蒸気機関改良（分離凝縮器）を助けました。
相変化は後に熱力学に位置づけられ、加熱曲線の水平部は温度一定でエントロピーが だけ増えることを反映します。現在、水の潜熱は融解約334 kJ/kg、気化約2260 kJ/kg（1 atm）と測定され、二つの水平部の長さの比と一致します。