化学

「状態変化に伴う熱」には2種類ある?「顕熱・潜熱」について元塾講師が解説

よぉ、桜木建二だ。今回は「状態変化に伴う熱」の種類について詳しく勉強していこう。

温度変化に伴う状態変化のグラフを覚えているか?今回はそのグラフをより深く理解するための解説をしていくぞ。

グラフから読み取れることを出来るだけたくさん挙げてみよう。化学に詳しいライターAyumiと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

Ayumi05

ライター/Ayumi

理系出身の元塾講師。わかるから面白い、面白いからもっと知りたくなるのが化学!まずは身近な例を使って楽しみながら考えさせることで、多くの生徒を志望校合格に導いた。

1.状態変化と温度変化

image by iStockphoto

状態変化には温度という要素が大きく関わっていましたね。温度を上げることで原子や分子などの粒子が振動し、より自由に熱運動をするようになります。それに伴って粒子の動きは激しくなり、それが熱エネルギーをもつということにつながっていました。

固体→液体→気体 という相転移は熱を加えることで起こります。物質の粒子に熱を取り込むことで状態変化が起こるのですから、これは吸熱反応といえますね。一方で 気体→液体→固体 という状態変化は、もっている熱を放出することで自身の熱量を減らすことによる相転移です。つまりこれは発熱反応といえます。

ここまでが前回までの復習ですね。

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化学変化や物理変化に熱を必要とするものは吸熱反応、それらの変化によって熱を発するものが発熱反応だったよな。

それでは、固体→液体→気体 の変化を「温度」と「加熱時間」の関係に注目して考えてみましょう。「融点」「沸点」とそれぞれの温度における物質の状態をグラフに書き込むことができますか?まずは何も見ずに書いてみましょう。

1-1.グラフから見る状態変化

1-1.グラフから見る状態変化

image by Study-Z編集部

このようなグラフが書けたら正解です。

マイナスの温度で冷やし固められた氷(固体)は、加熱することで徐々に温度をあげます。温められて融点である0℃に達すると溶け始め、氷と水(液体)が入り混じった状態になりますね。そして氷が全て溶け切ると、温度が上昇していくのがわかるでしょう。そして沸点の100℃になると水は蒸発を始めます。全ての水が水蒸気(気体)に変わったあとは100℃以上に熱せられるのが見てとれますね。

このグラフを見て不思議に思ったことはありませんか?どうして固体と液体、液体と気体が混ざった相では温度が変わらないのでしょう。

2.顕熱変化と潜熱変化

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状態変化のグラフを書くとき、どんなことに気を付けて書きましたか?きっとそれはこのようなことではなかったでしょうか。

(1)縦軸を温度、横軸を時間経過とし、縦軸に融点(純粋な水の場合0℃)と沸点(100℃)を書き加える。

(2)融点より低い温度から徐々に温度を上げていき、融点に達するまでが固体である。融点では固体と液体が入り混じり、温度は変わらない

(3)固体と液体が入り混じった状態を少し経て、沸点に向かって温度が上昇していく。このときは液体のみの相となる。

(4)沸点に達すると液体と気体が入り混じった相で一度温度は安定し、その後気体のみが温度を上げていく。※固体と液体が入り混じっている時間よりも液体と気体が入り混じっている時間を長く書くとより正確である。

ここで気付くのは、比例のような右上がりの直線状に温度が上がっていくとき温度変化のないときの2つがあるということですね。これらについて、それぞれ詳しく見ていきましょう。

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自分でグラフが書けなかったやつはこの手順で書いてみよう!

2-1.顕著な熱の変化が見られる顕熱変化

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まずは、固体・液体・気体そのままの状態で存在する部分、グラフで見れば / の部分に注目してみましょう。一定のスピードで徐々に温度が上昇していくのがわかりますね。

このときの熱の出入りは顕著です。固体や液体のときは、それぞれ液体・気体になるためのエネルギーを物質内に蓄えている状態と見ることができるでしょう。周囲の熱を吸収した結果、自身が熱をもつようになります。しかし、融点・沸点には達しないため、状態変化が起こるまでには至らないのです。気体の場合、これ以上の状態変化は起こりません。そのために気体そのものの温度が上昇するのみの変化となりますよ。

このように、物質の状態は変えず、温度が上がったり下がったりするときに変化する熱を顕熱(けんねつ)といいます。また、そのときの反応過程が顕熱変化です。著な変化と覚えるといいですね。

2-2.温度変化の見られない熱を潜める潜熱変化

続いて、グラフで ― となる部分について見ていきましょう。融点で固体と液体が混ざっているとき、沸点で液体と気体がまざっているときのことですね。このとき、加熱を続けても温度の変化は起こらず、状態のみが変化している状況です。

状態変化をグラフで書くとき、どうして比例のグラフのように真っ直ぐな線にならないのか不思議に思った人も多いことでしょう。その理由を今から解説しますね。

この状態でも確かに物質は熱を吸収しています。しかし顕熱変化とは異なり温度変化は見られません。それは、吸収した熱を状態変化に使ってしまっているからです。

image by Study-Z編集部

5℃の水が50℃のお湯になったとしても液体であることに変わりはありませんよね。同様に、-10℃の氷が-1℃に、100℃の水蒸気が120℃になっても状態そのものが変化するわけではありません。この温度が上昇した分だけ、熱を吸収しているのです。

一方で、氷と水が混ざり合う0℃、水と水蒸気が混在している100℃のとき、それらは状態変化に全てのエネルギーを使います。つまり、0℃の氷が0℃の水に、100℃の水が100℃の水蒸気に、全て変わるまでのエネルギーとして熱が消費されてしまうのです。そのために、一見与えられた熱が潜んでしまったかのように見えるでしょう。これが融点・沸点では物質の温度変化が起こらない理由なのです。

このときに消費された熱を潜熱(せんねつ)、このような反応を潜熱変化といいます。

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中学の理科では顕熱・潜熱という言葉自体は習わないかもしれないな。それでもなぜグラフがこうなるのかは覚えておいて損はないだろう。

温度変化を伴う「顕熱変化」と状態変化に熱を必要とする「潜熱変化」

状態変化において、熱は重要な要素の1つです。熱を加えたり奪ったりすることによって状態変化(物理変化・相転移)は起こります。その際の実際の物質の温度に着目してみましょう。グラフで見るとわかるように、状態変化には温度変化のある部分とない部分があります。この違いが「顕熱」と「潜熱」です。

顕熱は温度変化を伴う熱のことであり、固体・液体・気体それぞれの状態で温度を上げていく場合の変化を顕熱変化といいます。例えば氷の場合、融点の0℃に達するまでは固体としての形状を保ちますね。-10℃の氷もあれば、-1℃の氷もあるでしょう。融点に達するまでは何℃であっても氷なのです。水分子の中に熱を蓄えている状態と見ることもできます。しかし融点に達した時点で、加えられる熱は氷が水になるためのエネルギーとして使われるため、物質そのものの温度は変わりません。そのために氷と水が混在するのです。このときの熱を潜熱といい、その過程を潜熱変化といいます。

状態変化における2種類の熱について、グラフとともに整理して覚えましょう。

 

画像提供:いらすとや

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