この実験について
冷凍庫から出した氷をホットプレートに載せ、毎分温度計の値を読み取ります。温度は上昇した後、氷が融ける間は0 °Cで止まり、再び上昇して、水が沸騰するともう一度止まります。この実験では、加熱曲線が変化する様子をリアルタイムでグラフにし、内部の粒子の様子も表示します。質量、ヒーターの出力、初期温度を変えたり、水が100 °C未満で沸騰する山の上で実験したりできます。
学習目標
- 加熱曲線の形を説明し、各部分で水がどの状態にあるかを答えてください
- 物質が融解または沸騰している間、温度が一定に保たれる理由を説明してください
- Q = mcΔT と Q = mL を使って、各段階に必要なエネルギーを計算してください
- 氷を融かすのに必要なエネルギーと、水を沸騰させるのに必要なエネルギーを比較してください
- 沸点と気圧の関係を説明してください
使い方
- 1「加熱」を押して、温度計を観察してください。グラフの水平な部分ごとに一時停止し、容器の中に何が入っているか説明してください。
- 2粒子表示を使って、それぞれの状態で粒子の配列や運動がどのように変化するか説明してください。
- 32つの水平な部分の長さを比較してください。どちらの状態変化により多くのエネルギーが必要ですか？表示値で確かめてください。
- 4氷の質量を2倍にしてください。曲線のどの部分が長くなりますか？次に、ヒーターの出力を2倍にしてください。
- 5氷、水、水蒸気の部分の傾きを比較してください。どの物質の比熱容量が最も大きいですか？
- 6標高をエベレスト山頂（8849 m）まで上げてください。新しい沸点を調べ、そこでパスタがゆっくりと調理される理由を説明してください。
モデル
前提条件
- 周囲への熱損失はなく、ヒーターの出力はすべて水に加わるものとします。
- 容器はピストンで密閉されているため、蒸気は一定の圧力で内部にとどまり、さらに加熱できます。開放ビーカーでは蒸気が逃げるため、曲線の最後の部分は見られません。
- 水をかき混ぜるため、試料全体が同じ温度になります。比熱容量と潜熱は一定とします。
- 気圧は高度とともに低下し、そのスケールハイトは 8.4 km です。融点は圧力にほとんど依存しないため、0 °C に固定します。
- 粒子の図は、粒子の配置と相対的な速さを示したものであり、分子シミュレーションではありません。
授業で試してみましょう
- Q10 °C の氷 0.2 kg を溶かすには、どれだけのエネルギーが必要ですか？
- Q21500 Wの電気ケトルに20 °Cの水が1.2 kg入っています。熱が失われないとすると、100 °Cに達するまでどのくらいかかりますか？
- Q3100 °Cの蒸気によるやけどは、100 °Cの沸騰した湯によるやけどより、なぜひどく痛むのですか？
- Q4同じヒーターを使っているのに、液体の水の線は氷の線より傾きが緩やかなのはなぜですか？
- Q5実際の実験では、融解部分の曲線は平らではなく傾斜していることがよくあります。その理由を2つ挙げてください。
よくある質問
温度が変化しないとき、エネルギーはどこへ行くのですか？
粒子の位置エネルギーを増加させます。融解や沸騰では、粒子間にはたらく引力に逆らって粒子同士を引き離すため、エネルギーは粒子の運動を速めるのではなく、蓄えられます。蓄えられたエネルギーは、蒸気が凝縮したり水が凍ったりするときに再び放出されます。
沸騰にかかる時間は、融解に比べてなぜこんなに長いのですか？
融解では結晶構造が緩むだけで、液体の水の粒子はまだ互いに接しています。沸騰では粒子を完全に引き離す必要があり、1 kgあたりほぼ7倍のエネルギーが必要です（2260 kJに対して334 kJ）。
この実験は授業中にできますか？
はい。ビーカーに砕いた氷を入れ、撹拌棒と温度計を使い、ブンゼンバーナーまたはホットプレートで加熱します。水が沸騰してから数分間、30秒ごとに温度を測ります。ビーカーは熱を逃がし、内容物も均一に混ざらないため、ここに示されているほどはっきりした停滞部分は見られないでしょう。