熱物理学

融解、気化、凝縮

相変化中、物質は潜熱を吸収または放出します。圧力一定では純物質の温度は通常変化中に一定です。

氷は融解して液体の水になり、水は気化して気体になり、蒸気は凝縮して液体に戻ります。エネルギーは分子配置や間隔を変えますが、温度が変わるとは限りません。

加熱曲線

約 1 atm で氷を加熱すると、温度は 0 ℃ まで上がり、融解中はほぼ一定です。液体の水は沸点まで温まり、気化中は熱を受け続けても温度はほぼ一定です。

クイックチェック

通常の圧力で氷が融解している間、エネルギーを受け取り続けても混合物の温度はほぼ 0 ℃ に保たれます。そのエネルギーは分子の配置を変え、分子間引力を弱めるために使われます。氷がすべて融けてから、追加のエネルギーが液体の水を温めます。同様に、沸騰中は気化熱によって分子が液相から離れます。質量 $m$ の融解・気化に必要なエネルギーは $Q=mL$ で、$L$ は物質と過程によります。凝縮では対応する潜熱が周囲へ放出されます。一定圧力下の純物質なら、温度–時間グラフの水平部分が相変化を示すことがあります。相変化中そのものには $Q=mc\Delta T$ を使いません。複数段階がある問題では、温度変化の熱と潜熱を別々に求め、符号をそろえて足します。

0 ℃ の氷 0.10 kg を $L_f=334$ kJ/kg として完全に融かす熱量は $Q=mL_f=33.4$ kJ です。その後さらに加熱するなら、水の温度上昇に必要な熱を別に計算します。実際には圧力で沸点が変わり、不純物で融点も変わることがあります。