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化學 · 熱化學

加熱曲線與潛熱

加熱物質時,能量用於升高溫度或改變物態。物態變化過程中的平坦區間不能僅用比熱公式解釋。

相關實驗:加熱曲線與物態變化 →
加熱曲線與物態變化
加熱曲線與物態變化實驗場景 →

意義與機制

當溫度在特定範圍內增加時,粒子的平均運動能量增加。在熔化和沸騰的範圍內,能量用於改變粒子之間的排列和相互作用。

當純物質在恆定壓力下加熱,接近平衡狀態時,溫度可以保持相對穩定。這源於能量利用方式的變化,而不是溫度本身的變化。

關係與條件

沒有相變過程的區域使用 Q=mcΔT,而發生熔化或沸騰的區域使用 Q=mL。如果加熱功率保持不變,那麼每個區域所需的能量和時間成比例。

熔點和沸點會受到壓力和物質的純度影響。理想的加熱曲線可以忽略諸如容器的熱容量、熱損失以及超冷卻/超熱現象等因素。

觀察實驗中需要注意的事物

水平部分,並非熱量消失的部分,而是一個用於狀態變化的部分。

標準物理性質值(僅為教學目的的近似值)。 某一型別的水,常壓 1 atm,冰的比熱 = 2.09,水的比熱 = 4.18,蒸汽的比熱 = 2.01 J/(g·K),熔化潛熱 = 334 J/g,汽化潛熱 = 2260 J/g。 比熱是恆定的,沒有熱損失,並且水蒸氣保持在系統中。 實際的壓力變化、過熱、過冷以及蒸發損失均被忽略。 粒子間距是一個示意圖。

關鍵關係與符號

Q = mcΔT · Q熔化 = mLf · Q汽化 = mLv

符號及公式中使用的單位
符號含義單位
c比熱J/(kg·K)
Lf, Lv潛熱(熔化和汽化)每單位質量J/kg
Q熱傳遞J

透過範例確認

在加熱曲線的 100 °C 這一水平段中,輸入的熱量用於什麼?

在潛熱部分,狀態比發生變化,而溫度保持不變。 經過蒸發後,水蒸氣的溫度再次升高。

常見誤解

  • 即使溫度在特定且恆定的範圍內,物質仍然可以持續接收能量。

透過實驗探索這個概念

參考文獻

OpenStax · 化學 2e (英文)