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融解熱の説明

コア コンセプト

この記事では、熱力学とその応用を含む融解熱について学びます。この記事を読むと、融解熱の性質を理解し、それを使用して熱化学の問題を解決できるようになります。

融解熱とは?

融解エンタルピーまたは融解潜熱とも呼ばれる融解熱は、一定圧力の条件下で物質を融解または凍結するために必要なエネルギー量です。化学を学ぶとき、「融合」は単純に融解と同じ定義です。教室では、ほとんどの場合、物質が融点または凝固点にあるときに融解熱を使用します。そのような場合、ほとんどの人は融解熱を定数と考えています。

たとえば、水の融点 0°C での融解熱は 334 J/g です。これは、0°C で 1 グラムの液体水が完全に氷になるには 334 ジュールのエネルギーを放出しなければならないことを意味します。また、0°C で完全に溶けるには、1 グラムの氷が 334 ジュールのエネルギーを吸収する必要があります。

次の融解熱方程式を使用して、融点で物質の相を変化させるために必要な熱エネルギーの量を計算できます。

q =m∆Hf

q:熱エネルギーの合計変化 (ジュール単位)

ΔHf:物質の融解熱 (ジュール/グラム)

m:物質の質量 (グラム)

モル核融合熱

物質のモル質量がわかっていれば、モル融解熱に簡単に変換できます。水のモル質量は 18.02 g/mol なので、そのモル融解熱は 6020 J/mol (334*18.02 =6020) になります。したがって、エネルギーの総変化を計算するには、質量ではなくモルを使用する必要があります:

q =n∆Hf

n:物質のモル数

融解熱は、物質が温度を変化させずにエネルギーを吸収または放出できることを示唆しているため、化学者や物理学者に関心を持っています。実際、0°C の 1 モルの氷が 6020 ジュールの熱を吸収すると、結果として生じる液体の水の温度も 0°C になります。この現象の特異性を理解するには、まず相変化を伴わないエネルギー変化について話す必要があります。

物質は通常、温度によってどのように変化しますか?

通常、物質が熱エネルギーを吸収または放出すると、それに応じて温度が変化します。温度変化の量は物質の比熱によって支配されます。これは物質に固有の性質であり、物質の量には依存しません。次の方程式は、熱エネルギー、比熱、温度の関係を詳しく示しています。

q =mCΔT

q:熱の変化 (ジュール単位)

m:物質の質量 (グラム)

C:物質の比熱 (ジュール/グラム/摂氏)

ΔT:温度変化 (摂氏)

このように、比熱は、物質の温度 1 グラムを摂氏 1 度変えるのに必要なエネルギー量と考えることができます。たとえば、金の比熱は 0.128 J/g°C です。これは、1 グラムの純金が 0.128 ジュールのエネルギーを吸収すると、1 ℃ 熱くなることを意味します。逆に、金から 0.128 ジュールのエネルギーが取り出されると、その温度は 1°C 低下します。比熱の使用方法について詳しくは、この記事をご覧ください。

温度と熱は正比例の関係にあるため、相変化のない物質の熱と温度のグラフは線形です。グラフに相変化が含まれている場合、融解と気化に対応する平坦な伸びを伴う、奇妙に見える区分的な勾配が現れます。補足として、気体と液体の間の相変化は、融解熱と同じように機能する「気化熱」によって支配されます。

では、通常、温度と熱エネルギーには直接的な関係があるのに、相転移中に温度が変化しないのはなぜでしょうか?その理由を理解するには、相転移の熱力学を調べる必要があります。

Heat of Fusion の背後にある熱力学

温度と内部エネルギー

まず、「温度」の本当の意味について説明する必要があります。化学者と物理学者は、温度を物質の分子あたりの平均運動エネルギーと定義しています。運動エネルギーは、粒子の質量と速度に依存します。物質を加熱しても分子量は変化しないため、分子の速度のみが変化します。したがって、物質が熱エネルギーを吸収すると、その分子はより速く動き、温度が上昇したことを示します。

重要なことに、システムの温度は、システムの内部エネルギーと呼ばれる量に比例します。したがって、システムの温度が変化すると、内部エネルギーも同様に変化します。

熱力学の第一法則は、システムの内部エネルギー () の変化は、放出または吸収された熱と、システムによってまたはシステムで行われた仕事の合計に等しいと述べています。

ΔU =q + w

ΔU:内部エネルギー;温度が上昇する場合は正、温度が下降する場合は負 (ジュール単位)

q:熱;吸収された熱は正、放出された熱は負 (ジュール単位)

w:仕事;システムで行われた仕事に対して正、システムによって行われた仕事に対して負 (ジュール

)

仕事

一般に、容器の中で何らかの物質を扱う場合、その物質ができる仕事は膨張または圧縮の仕事だけです。これには、外圧の有無にかかわらず物質の体積が変化することが含まれます。ただし、実質的な膨張または圧縮を実行できるのは気体のみであり、熱は逆に作用して気体の内部エネルギーを維持します。たとえば、気体を加熱すると (正の熱)、気体は膨張します (負の仕事) ため、内部エネルギーは変化しません。さらに、気体を圧縮すると (正の仕事)、気体は熱エネルギー (負の熱) を放出します。

気体とは異なり、液体や固体は加熱しても冷却しても体積があまり変化しません。液体または気体が加熱または冷却されるとき、ほとんど仕事は行われません。したがって、吸収された熱は物質の内部エネルギーを増加させ、温度を上昇させます。

ただし、液体と固体は、相が変化するときにゼロ以外の仕事を経験します。これは、液体よりも固体の方が分子同士がより接近していることが多いためです。その結果、液体に溶ける固体は膨張し、液体は圧縮して固化する必要があります。

この現象は、融解熱の性質を正確に説明しています。固体が融点まで加熱されると、それ以上の熱エネルギーが固体に入力され、それを液体に膨張させるために使用されます。したがって、物質の熱と仕事は互いに打ち消し合うため、内部エネルギーは変化せず、物質は完全に液体になるまで融点にとどまることができます。


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