【物理基礎 熱】「物質の三態、潜熱、熱膨張」のポイント解説

物理基礎の熱と物質の状態についての解説です。

・物質の三態
・潜熱
・熱膨張

について解説していきます。

中学校の理科でも物質の三態について触れるので、なんとなく理解していると言う人も多いかと思います。

ここで、それぞれがどのような状態であるのか正しく理解しておきましょう。

また、プラスαとして線膨張率、体膨張率についても解説します。

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物質の三態

まずは、物質の三態から説明していきます。

氷に熱を加えていくと融けて水になります。

さらに熱を加えていくとやがて沸騰し、水蒸気へと変わります。

この現象はみなさんにはお馴染みのものでしょう。

このように、一般的に物質には体・液体・気体の3つの状態があり、これを物質の三態といいます。

水であれば

◯個体 → 氷
◯液体 → 水
◯気体 → 水蒸気

です。

では、それぞれの状態をもう少し詳しくみていきましょう。

固体

固体は物質を構成する粒子(原子・分子・イオン)がお互いにがっちりと強い力によって結合していて、つりあいの位置を中心にして振動しています。

個体(氷)のイメージは下図の通りです。

氷の時に温度が低いことからもわかるように、水が個体の状態、つまり氷でいるときには熱運動が激しくありません。

熱運動の激しさを表すものが温度でしたね。

液体

液体は固体と比べて粒子の熱運動の激しさが増し、粒子間の結びつきが弱くなります。

しかし、バラバラに熱運動をするのではなくほぼ一定の距離を保ちつつ熱運動をします。

液体(水)のイメージは下図の通りです。

加熱により粒子がエネルギーを受け取り熱運動が激しくなることで結びつきが弱まるというわけです。

粒子間の結びつきが弱まっているので自由な形になることができます。

コップなどに水を入れるとコップの形に水が変形しますね。

気体

気体はさらに粒子の熱運動が激しくなります。粒子間の結びつきはさらに弱まり、様々な速度で自由に空間を運動し、固体や液体に比べ体積は増大します。

気体(水蒸気)のイメージは下図の通りです。

粒子がピュンピュン動き回っているイメージです。

水の状態変化

水の状態変化についてもう少し詳しく見ていきましょう。

以下のグラフをみて下さい。これは、氷を1気圧のもとで加熱したときの、加えた熱量に対する温度の変化のグラフです。

各状態についてA〜Eのアルファベットで区切ったので説明していきます。

<状態A>
氷に熱量を与えていくと温度が上昇し、やがて0℃に達し、氷が融け始めます。
この状態Aは氷、つまり固体のみの状態です。

<状態B>
グラフからもわかるように熱量を与えても温度は0℃のままです。
このとき氷が全て融けきるまで0℃が続きます。
状態Bは氷と水、つまり固体と液体が共存している状態です。

<状態C>
氷が全て融け、水となるとまた温度が上昇していきます。
そして、やがて100℃に達し、水蒸気になり始めます。
状態Cは水、つまり液体のみの状態です。

<状態D>
状態Bと似てるように、この状態では熱量を与えても温度が100℃のまま変化しません。
全て水蒸気となるまで100℃のままです。
状態Dは水と水蒸気、つまり液体と気体が共存している状態です。

<状態E>
全て水蒸気に変わると温度がまた上昇していきます。

このように水の状態が変化していきます。

そして状態Aのように、氷が融けて水になる、つまり固体が融けて液体になることを融解といい、融け始める時の温度を融点といいます。

水の融点は0℃です。

次に、状態Cのように水が沸騰して気体になる、つまり液体が気体になることを蒸発といい、蒸発し始める時の温度沸点といいます。

水の沸点は100℃です。

潜熱

状態B、Cについてもう少し付け加えます。

これらの状態のように、熱量を与えても温度が上昇しない時何が起こっているのかというと、分子同士の結びつきを緩めたり、切り離すために熱量が使われます。

そして、物質を固体から液体に変えるために必要な熱量融解熱液体から気体に変えるのに必要な熱量蒸発熱といいます。

水であれば融解熱は334[J/g]、蒸発熱は2257[J/g]です。

教科書等に他の物質の融解熱や蒸発熱が載っているので確認してみて下さい。

この融解熱や蒸発熱のように、物質の状態変化に伴う熱量のこと潜熱といい、単位質量あたりの熱量で表されます。単位はJ/g(ジュール毎グラム)などがよく使われます。

※物質によっては固体から気体に直接変化する場合もあります。
   これを昇華といいます。
   身近にある例としてはドライアイスと聞けば昇華がどういうものかイメージしやすいと思います。

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熱膨張

物質は基本的に温度が上昇すると体積や長さが増加します。
これを熱膨張といいます。

実験等でつかう温度計を思い出してみて下さい。

あれは温度を示すのに熱膨張が利用されています。
中の赤色の液体の温度が上昇して熱膨張が起こることで、上に液が移動していきます。

ここからは物理基礎ではプラスαの内容になるので、気になる人は読んでみて下さい。

プラスα 線膨張率・体膨張率

熱膨張によって体積や長さが増加するといいましたが、温度変化により体積が変化する割合を体膨張率、長さが変化する割合を線膨張率といいます。

ある個体の0℃の時の体積を\(V_0\)、長さを\(l_0\)とします。

\(t\)℃の時の体積\(V_t\)は

\[
V=V_0(1+\beta t)
\]

また、\(t\)℃の時の長さ\(l_t\)は

\[
l=l_0(1+\alpha t)
\]

とそれぞれ表されます。
そして\(\alpha\)を線膨張率、\(\beta\)を体膨張率といいます。
単位は[1/K]です。

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まとめ

それでは今回のまとめです。

物質の三態
  物質には一般的に固体、液体、気体の3つの状態があり、これを物質の三態という

水の状態変化
  融点:氷が融け始める(固体が液体になり始める)時の温度
  沸点:水が沸騰し始める(液体が気体になり始める)時の温度

潜熱
  融解熱:物質を固体から液体に変えるのに必要な熱量
  蒸発熱:物質を液体から気体に変えるのに必要な熱量
  これらを潜熱という

熱膨張
  温度上昇により体積や長さが増加すること

今回は以上となります。

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