融点と沸点の温度が一定なのはなぜ?【グラフで分かりやすく解説】

熱力学
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taniten
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今回は融点沸点について解説していくよ!

よく見る状態変化のグラフって、融点と沸点で温度一定になっていますよね。
あれってどうしてなのでしょうか?

ふうた君
ふうた君
taniten
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その理由も詳しく解説していくよ!
それじゃあ見てみよう!

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そもそも融点と沸点とは?

固体・液体・気体がそれぞれどのような状態かについては、以下の記事も参考にしてみてください。

融点は固体が液体になる温度

融点とは、固体と液体が共存している温度のことです。

水の場合を例に考えてみましょう。

水の場合の融点は0℃で、0℃の時に「氷の状態」と「水の状態」が共存します。

氷を温めていくと、一瞬ですべて融けるのではなく、徐々にじわじわ融けていきますよね。

このように固体が液体に変化することを融解といい、融点で固体と液体が共存している状態となるのです。

taniten
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ちなみに水と氷の融点のことを、特に氷点と言ったりもするよ。

氷点下っていうのは温度が0℃以下の状態ってことだね!

ふうた君
ふうた君

沸点は液体が気体になる温度

沸点とは、液体と気体が共存している温度のことです。

これも水の場合を例にすると、水の場合の沸点は100℃で、100℃の時に「水の状態」と「水蒸気の状態」が共存します。

先ほどと同じように、一瞬で全ての水が水蒸気になることはありませんよね。

徐々に液体の水が気体の水蒸気に状態変化していくのです。

このように液体が気体に変化することを気化といい、沸点で固体と液体が共存している状態となるのです。

ちなみに気化にはいくつか種類があって、液体表面からの気化を蒸発液体内部からも起こる激しい気化を沸騰といいます。

taniten
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固体から直接気体になるのは昇華という別名があるから区別して覚えようね。

ひ〜。
なんで液体から気体の時はこんなに用語がたくさんあるんだ〜。

ふうた君
ふうた君

様々な物質の融点と沸点

ここで水以外の様々な物質の融点と沸点を紹介しましょう。
表で示す値は全て大気圧下でのものになっています。

物質融点 [℃]沸点 [℃]
タングステン34225555
15382862
327.51749
水銀-38.83356.7
窒素-210.0-195.8
水素-259.2-252.9
taniten
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大気中の温度が25℃くらいだから、普段は水銀は液体、窒素や酸素は気体で存在することになるね。

液体の窒素や水素なんて想像できないけど、ちゃんと融点や沸点があるんだね!

ふうた君
ふうた君

融点や沸点で温度一定になる理由

融点や沸点がどのような温度なのかは分かりました。

ここで氷が水になり、やがて水蒸気になるまでのグラフを見ながら、熱の観点から融点や沸点が温度一定になる理由を解説します。

水の状態変化のグラフ

上のグラフは点Aの氷の状態から、点E以降の水蒸気の状態までの水の状態変化を表したグラフです。

傾きがある区間傾き0の区間のそれぞれの区間、で熱がどのような働きをしているか確認していきましょう。

傾きがある区間(A~B、C~D、E~)

グラフの傾きがある区間は、固体・液体・気体の状態を保ちながら温度が上がっている区間を表しています。

A~Bは融点以下なので固体の氷の状態、C~Dは融点以上で沸点以下なので液体の水の状態、E以降は沸点以上なので気体の水蒸気の状態です。

外からの見た目は変わっていなくても、実は温度は変化しているんですね。

同じ水でも、冷蔵庫に入れている水は冷たいし、お風呂の水は温かいよね。

ふうた君
ふうた君

傾き0の区間(B~C、D~E)

この区間は複数の状態が混合している区間です。

温度が0℃のB~Cでは、氷が徐々に水に融解しており、氷と水が共存しています。

点Bで氷の融解が始まり、点Cで氷は全て水になります。
この間に使われる熱のことを融解熱といって、温度の上昇ではなく状態変化のために使われる熱です。

同じように温度が100℃のD~Eでは、水が徐々に水蒸気に気化しており、水と水蒸気が共存しています。

点Dで水の気化が始まり、点Eで水は全て水蒸気になります。
この間に使われる熱は気化熱といい、融解熱と同じように状態変化のために使われる熱です。

taniten
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気化熱は蒸発熱とも言うこともあるから気をつけてね。

以上をまとめると次のようになります。

水の状態変化のグラフにおけるそれぞれの区間での熱の役割

融点や沸点で温度が一定なるのは、温度上昇じゃなくて状態変化のために熱が使われているからなんだね!

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

その通り!
この融解熱や気化熱のように物質の状態変化のために使われる熱のことを潜熱というからこれも覚えておこう!

まとめ

【融点と沸点】
融点・・・
固体と液体が共存している温度
沸点・・・
液体と気体が共存している温度

【物質の状態変化】
融解・・・
固体 → 液体
気化・・・液体 → 気体
(液面からの気化は蒸発、液体内部からの激しい気化は沸騰
昇華・・・固体 → 気体

【物質の状態変化に使われる熱(潜熱
融解熱・・・固体を液体に変化させるために使われる熱
気化熱(蒸発熱)・・・液体を気体に変化させるために使われる熱

融点や沸点で温度一定になるのは、温度上昇ではなく、状態変化のために熱が使われるから。

taniten
taniten

用語がたくさん出てきて大変だけど、よく使われる単語だから整理して覚えていこう!

は〜い!しっかり復習するぞー!

ふうた君
ふうた君

コメント

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