加熱曲線と状態変化のシミュレーター
このシミュレーションの式
| m | 水の質量 m (グラム) | ||
|---|---|---|---|
| c | 比熱容量 | 氷 2.09、液体の水 4.18、水蒸気 2.01 J/(g·K)。水は 1 度上げるのに、ほとんどどの物質より多くの熱が要る | |
| ΔT | change in temperature | 1 つの状態だけのとき。状態変化の間は温度が止まる |
現在の値を入れると：
| L_f | 融解熱 | 334 J/g: 温度を上げずに結晶をばらばらにするエネルギー | |
|---|---|---|---|
| L_v | 蒸発熱 | 2,257 J/g、L_f のほぼ 7 倍。分子を完全に引き離すには、ゆるめるよりずっと多くのエネルギーが要る | |
| Q | これまでに加えた熱 | ヒーターの出力 × 時間 |
現在の値を入れると：
| P | ヒーターの出力 P (ワット、負なら冷却) | 1 ワットは 1 秒あたり 1 ジュール | |
|---|---|---|---|
| t | 各段階の時間 | 潜熱が大きいので平らな部分が長い |
現在の値を入れると：
加熱曲線シミュレーターの使い方
- 水の質量、最初の温度、ヒーターの出力を設定します。最初は氷で、分子は結晶の中で自分の位置のまわりを振動しており、温度が上がるほど激しく振動します。
- 0 °C では氷が融ける間、温度が止まります。熱は結晶をばらばらにするのに使われ、分子が 1 つずつ液体へ離れていきます。100 °C では水が沸騰して分子が水蒸気として飛び出す間、再び温度が止まります。グラフは加えた熱に対する加熱曲線を、灰色の全体の曲線の上に描き、2 つの平らな段が見えます。
- 出力を負にすると熱を取り去り、凝固や凝縮を通って曲線を逆にたどります。式の欄では比熱と潜熱から各段階の熱を足し合わせています。比熱の計算で任意の物質の Q = mcΔT を求められます。
よくある質問
氷が融ける間、温度が変わらないのはなぜ？
熱がすべて分子を結晶につなぎとめている結合を切るのに使われ、分子を速く動かすのには使われないからです。温度は分子の平均運動エネルギーを表し、最後の氷が融けきるまで変わりません。吸収される熱は融解熱で、1 グラムあたり 334 J です。
潜熱とは？
物質が一定の温度で状態を変えるときに吸収したり放出したりするエネルギーです。水の融解熱は 334 J/g、蒸発熱は 2,257 J/g です。凝固や凝縮のときには同じ量が戻ってくるので、同じ温度の熱湯より水蒸気のほうがずっとひどいやけどになります。
沸騰に融解よりずっと時間がかかるのはなぜ？
蒸発熱が融解熱のほぼ 7 倍あるからです。融解は分子をゆるめてすべり合えるようにするだけですが、沸騰では分子どうしの引力に逆らって完全に引き離さなければなりません。100 g の水を 0 °C から沸騰させるには 42 kJ、すべて蒸発させるにはさらに 226 kJ が必要です。
加熱曲線の熱はどう計算する？
各段階を足します。氷を温める (m × 2.09 × ΔT)、融かす (m × 334)、水を温める (m × 4.18 × ΔT)、沸騰させる (m × 2,257)、水蒸気を温める (m × 2.01 × ΔT) で、m はグラムです。ヒーターの出力 (ワット) で割ると時間 (秒) になります。絵の下の式はあなたの設定でこの計算をしています。
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