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热物理学

熔化、汽化、凝结

研究水的加热曲线:倾斜段温度按 Q=mcΔTQ=mc\Delta T 上升,而在熔点与沸点处温度水平,因为能量用于相变 Q=mLQ=mL。改变供给能量与质量,测量平台段的长度。

初中

器材

  • 带温度–能量图的虚拟冰/水/汽容器
  • 供给能量滑块(0–100%)
  • 水的质量滑块(100–1000 g)
  • 当前加热阶段读数

实验步骤

  1. 识别曲线的各段

    从 0 拖动能量滑块并读取阶段显示:先是“加热冰”,接着是水平的“约 0 °C 熔化”平台,再是“加热液态水”,水平的“约 100 °C 汽化”平台,最后“加热蒸汽”。记录各段分界位置。

  2. 验证相变平台段

    把滑块停在熔化段中间:能量继续增加而温度保持 0 °C——熔化潜热 Q=mLfQ=mL_f 用于破坏晶体键而非提高分子动能。100 °C 处同理,因汽化热 Q=mLvQ=mL_v 大得多,平台也更长。

  3. 改变质量并预测

    将质量从 500 g 增至 1000 g 并观察曲线:因 mcΔTmc\Delta T 与 mLmL 都正比于质量,所有段长度加倍。预测将 300 g 水全部汽化所需能量并在图上验证。

模拟

实验历史

约瑟夫·布莱克18世纪60年代在格拉斯哥任教时发现,冰熔化吸热却不升温——他称之为“潜热”,并将它与使温度计变化的“显热”区分开。这一区分帮助詹姆斯·瓦特以分离冷凝器改良蒸汽机。 相变后来被纳入热力学框架:加热曲线上的平台反映恒温下熵按 S=Q/TS=Q/T 增长。现今测得水的熔化潜热约334 kJ/kg、汽化潜热约2260 kJ/kg(1 atm)——正好是两段平台长度之比。

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