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化学 · 热化学

加热曲线与潜热

加热物质时,能量用于升高温度或改变物态。物态变化过程中的平坦区间不能仅用比热容公式解释。

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加热曲线与物态变化
加热曲线与物态变化实验场景 →

意义与机制

当温度在特定范围内增加时,粒子的平均运动能量增加。在熔化和沸腾的范围内,能量用于改变粒子之间的排列和相互作用。

当纯物质在恒定压力下加热,接近平衡状态时,温度可以保持相对稳定。这源于能量利用方式的变化,而不是温度本身的变化。

关系与条件

没有相变过程的区域使用 Q=mcΔT,而发生熔化或沸腾的区域使用 Q=mL。如果加热功率保持不变,那么每个区域所需的能量和时间成比例。

熔点和沸点会受到压力和物质的纯度影响。理想的加热曲线可以忽略诸如容器的热容量、热损失以及超冷却/超热现象等因素。

观察实验中需要注意的事物

水平部分,并非热量消失的部分,而是一个用于状态变化的部分。

标准物理性质值(仅为教学目的的近似值)。 某一类型的水,常压 1 atm,冰的比热容 = 2.09,水的比热容 = 4.18,蒸汽的比热容 = 2.01 J/(g·K),熔化潜热 = 334 J/g,汽化潜热 = 2260 J/g。 比热容是恒定的,没有热损失,并且水蒸气保持在系统中。 实际的压力变化、过热、过冷以及蒸发损失均被忽略。 粒子间距是一个示意图。

关键关系与符号

Q = mcΔT · Q熔化 = mLf · Q汽化 = mLv

符号及公式中使用的单位
符号含义单位
c比热容J/(kg·K)
Lf, Lv潜热(熔化和汽化)每单位质量J/kg
Q热传递J

工作实例

在加热曲线的 100 °C 这一水平段中,输入的热量用于什么?

在潜热部分,状态比发生变化,而温度保持不变。 经过蒸发后,水蒸气的温度再次升高。

常见误解

  • 即使温度在特定且恒定的范围内,物质仍然可以持续接收能量。

通过实验探索这个概念

参考文献

OpenStax · 化学 2e (英文)