การหลอมเหลว การแข็งตัว และกราฟ

เราให้พลังงานแก่น้ำแข็งที่ 0 °C น้ำแข็งลดลงแต่เทอร์มอมิเตอร์ยังอ่าน 0 °C ทำไมพลังงานจึงเข้าไป ทั้งที่สมการการเพิ่มอุณหภูมิที่คุ้นเคยดูเหมือนให้ค่าศูนย์?

สังเกตก้อนน้ำแข็ง เมื่อหลอมเหลว รูปร่างคงตัวของมันหายไป แต่น้ำไม่ได้กลายเป็นสารชนิดอื่น การหลอมเหลวคือการเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว ส่วนการแข็งตัวเป็นการเปลี่ยนกลับ สิ่งที่เปลี่ยนคือการจัดเรียงอนุภาคและความสามารถในการเปลี่ยนอนุภาคข้างเคียง ไม่ใช่องค์ประกอบโมเลกุล จึงอธิบายด้วยการเคลื่อนที่เชิงความร้อนอย่างเดียวไม่ได้ ต้องคิดพลังงานอันตรกิริยาด้วย

น้ำแข็งบริสุทธิ์กับน้ำอยู่ร่วมกันได้ใกล้ 0 °C ที่ความดันบรรยากาศปกติ นี่คืออุณหภูมิหลอมเหลว ซึ่งเฟสของแข็งและของเหลวอยู่ในสมดุลได้ที่ความดันนั้น ค่านี้ขึ้นกับชนิดสารและความดัน ดังนั้น 0 °C ไม่ใช่กฎสำหรับผลึกทุกชนิด หากน้ำบางส่วนแข็งตัวภายใต้เงื่อนไขสมดุลเดียวกัน ก็เกิดที่อุณหภูมิเดียวกัน

พลังงานไปไหนเมื่อเทอร์มอมิเตอร์ไม่เปลี่ยนค่า? อนุภาคในผลึกถูกยึดในตำแหน่งที่เป็นระเบียบ หากจะให้เปลี่ยนอนุภาคข้างเคียงได้อิสระขึ้น ต้องเปลี่ยนการจัดเรียงและอันตรกิริยา พลังงานจึงไปใช้กับการเปลี่ยนเหล่านี้ขณะหลอมเหลวแบบสมดุล ตราบใดที่ทั้งสองเฟสอยู่ร่วมกันที่ความดันคงตัว อุณหภูมิไม่เพิ่ม เมื่อส่วนสุดท้ายของน้ำแข็งหายไป การถ่ายโอนพลังงานต่อไปจึงทำให้น้ำที่ได้ร้อนขึ้นได้

บนกราฟอุณหภูมิกับความร้อนที่ให้ การเพิ่มอุณหภูมิในสถานะเดียวให้ช่วงเอียง พลังงานเข้าและอุณหภูมิเพิ่ม ขณะหลอมเหลว พลังงานยังเข้าแต่เส้นเป็นแนวนอน ทีนี้นึกถึงกราฟอุณหภูมิกับเวลา T(t) หลังปิดเครื่องทำความร้อน เส้นอาจเป็นแนวนอนได้โดยไม่มีการหลอมเหลว จึงต้องอ่านช่วงราบร่วมกับเงื่อนไขทดลอง เวลาเพียงอย่างเดียวไม่ได้บอกว่าให้พลังงานไปเท่าไร

พิจารณาสารหนึ่งกิโลกรัมที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวอยู่แล้ว พลังงานที่ต้องใช้เปลี่ยนให้เป็นของเหลวเรียกว่าความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลว λ มีหน่วย J/kg เมื่อ λ มากขึ้น การหลอมมวลเท่ากันต้องใช้พลังงานมากขึ้น ปริมาณนี้ต่างจากความร้อนจำเพาะ c ซึ่งเกี่ยวกับการเปลี่ยนอุณหภูมิ ส่วน λ เกี่ยวกับการเปลี่ยนสถานะที่อุณหภูมิเปลี่ยนสถานะ

ถ้าแต่ละกิโลกรัมต้องใช้ λ จูล มวล m ต้องใช้ Q = λm มวลสองเท่าต้องใช้ความร้อนสองเท่า หากสารเดิมหลอมเพียงครึ่งหนึ่ง ให้ใช้มวลของครึ่งนั้น เมื่อ m = 0 ไม่ต้องใช้พลังงานในการเปลี่ยนสถานะเอง การแข็งตัวของมวลเท่ากันภายใต้เงื่อนไขเดียวกันปล่อยพลังงานขนาดเท่ากัน โดย Q ของสารเป็นลบ หน่วยคือ Дж/кг · кг = Дж

ถ้าน้ำแข็งเริ่มต่ำกว่า 0 °C ล่ะ? แบ่งกระบวนการตามสิ่งที่เทอร์มอมิเตอร์และภาชนะแสดง ช่วงแรกน้ำแข็งยังเป็นของแข็งและอุ่นขึ้น ต้องใช้ cmΔT โดยใช้ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง จากนั้นน้ำปรากฏที่อุณหภูมิเปลี่ยนสถานะ ต้องใช้ λm ให้นำสองส่วนมาบวกกัน λm ไม่ได้อุ่นน้ำแข็งเย็นไปพร้อมกัน และ cmΔT ไม่สามารถอธิบายช่วงที่อุณหภูมิคงที่แต่สถานะเปลี่ยนได้

ช่วงราบชัดเจนอธิบายสารผลึกบริสุทธิ์ที่เปลี่ยนสถานะใกล้สมดุลภายใต้ความดันคงตัว การให้ความร้อนเร็วไม่ทั่วถึง สิ่งเจือปน หรือความดันที่เปลี่ยน อาจทำให้ผลต่างไป วัสดุอสัณฐานอย่างแก้วอ่อนตัวในลักษณะต่างออกไปและไม่จำเป็นต้องมีช่วงราบนี้ แบบจำลองช่วยแยกการเพิ่มอุณหภูมิจากการเปลี่ยนสถานะ แต่ห้ามนำลักษณะนี้ไปใช้กับวัสดุทุกชนิดหรือกราฟแนวนอนทุกกราฟโดยไม่ตรวจเงื่อนไข

ต้องการหลอมน้ำแข็ง 0.5 kg ที่อยู่ที่ 0 °C แล้ว โดย λ = 334 кДж/кг ต้องใช้ความร้อนเท่าไร?

น้ำแข็งอยู่ที่อุณหภูมิหลอมเหลวแล้ว จึงคิดเฉพาะการเปลี่ยนสถานะ ไม่ต้องมีช่วงเพิ่มอุณหภูมิ cmΔT

แต่ละกิโลกรัมต้องใช้ 334 kJ สำหรับ 0.5 kg ได้ Q = λm = 334·0,5 = 167 кДж โดยหน่วยกิโลกรัมตัดกัน

ครึ่งกิโลกรัมต้องใช้พลังงานครึ่งหนึ่งของที่หนึ่งกิโลกรัมต้องใช้ ระหว่างเปลี่ยนสถานะ พลังงานที่ให้ 167 kJ เปลี่ยนสถานะ แม้อุณหภูมิของส่วนผสมอาจคงที่ที่ 0 °C

167 kJ พลังงานนี้หลอมน้ำแข็ง 0.5 kg ที่ 0 °C แต่ไม่รวมการอุ่นน้ำหลังจากนั้น

ระหว่างเปลี่ยนสถานะ พลังงานภายในเปลี่ยนแม้อุณหภูมิไม่เปลี่ยน

Q = λm ใช้กับมวลที่หลอมจริงที่อุณหภูมิเปลี่ยนสถานะ

ต้องอุ่นน้ำแข็งเย็นก่อนแล้วจึงหลอม กราฟช่วยแยกสองช่วงนี้

ของเหลวเปลี่ยนเป็นแก๊สได้โดยไม่ต้องเดือด ต่อไปเราจะศึกษาการระเหยและความชื้น