状態変化のグラフ(温度が一定の区間)

方針

解答

⓪ 発想 — どう考え始めるか。 氷を熱し続けると、温度は一直線に上がり続ける…わけではない。融解と沸騰の 2 か所で温度が止まる。加えた熱が、温度上昇ではなく状態変化(潜熱)に使われるからだ。

① グラフの各区間を読む。

• 氷を温める($-20{}^{\circ }\mathrm{C}\to 0{}^{\circ }\mathrm{C}$): 温度が上がる
• 融解($0{}^{\circ }\mathrm{C}$ で平坦): 氷 → 水。温度一定
• 水を温める($0{}^{\circ }\mathrm{C}\to 100{}^{\circ }\mathrm{C}$): 温度が上がる
• 沸騰($100{}^{\circ }\mathrm{C}$ で平坦): 水 → 水蒸気。温度一定
• 水蒸気を温める: 温度が上がる

平坦部は $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ の融解と $100{}^{\circ }\mathrm{C}$ の沸騰の $2$ つ。

まとめ 平坦部の長さは潜熱の大きさを表す。沸騰(蒸発熱 $2260J/g$)の平坦部は融解(融解熱 $336J/g$)よりずっと長い。温度が上がる=温める、温度が止まる=状態を変えるという読み分けが、このグラフのすべてだ。

別解

熱の使い道で分けるルート(苦手な人向け)。 加えた熱の使い道は $2$ つだけ:「温度を上げる」か「状態を変える」か。

この $2$ つは同時に起きない。温度を上げている間は状態は変わらず(傾いた線)、状態を変えている間は温度が止まる(平らな線)。だからグラフは「上り坂と平地」の繰り返しになり、平地が状態変化の区間だ。