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熔化热

熔化热,亦称熔解热,是单位质量物质由固态转化为液态时,物体需要吸收的热量。物体熔化时的温度称为熔点

熔化热是一种潜热,在熔化的过程中,物质不断吸收热量温度不变,因此不能通过温度的变化直接探测到这一热量。每种物质具有不同的熔化热。晶体在一定压强下具有固定的熔点,也具有固定的熔化热;非晶体,比如玻璃塑料,不具有固定的熔点,因而也不具有固定的熔化热。

同一种物质中,液态固态拥有更高的内能,因此,在熔化的过程中,固态物质要吸收热量来转变为液态。同样,物质由液态转变为固态时,也要释放相同的能量。液体中的物质微粒与固体中的相比,受到更小的分子间作用力,因此拥有更高的内能。

熔化热的数值在大多数情况下是大于0的,表示物体在熔化时吸热,在凝固时放热,而是唯一的例外。氦-3在温度为0.3开尔文以下时,熔化热小于0。氦-4在温度为0.8开尔文以下是也轻微地显示出这种效应。这说明,在一定的恒定压强下,这些物质凝固时会吸收热量。

常见物质的熔化热

第三周期元素的摩尔熔化热
第二周期元素的摩尔熔化热
物质 熔化热
(卡路里/)
Heat of fusion
(千焦耳/千克)
79.8 334
甲烷 13.97 58.682
丙烷 19.03 79.917
甘油 47.76 200.62
甲酸 66.05 276.35
乙酸 25.91 108.83
丙酮 23.45 98.48
30.09 126.39
肉豆蔻酸 47.49 198.70
棕榈酸 39.18 163.93
硬脂酸 47.54 198.91
石蜡C
25
H
52
47.8-52.6 200–220

数据均为1标准大气压,熔点时的值。

与溶解度的关系

熔化热数据也能用来计算固体物质在水中的溶解度。在理想溶液中,溶质达到饱和时的摩尔分数是该溶质熔化热、熔点和溶液温度函数

这里的R是普适气体常数

比如,298K(约25)时,对乙酰氨基酚在水中的溶解度为:

换算为/

这样计算得出的理论值与实际值(240 g/L)的误差为11%。由于溶液并不是理想溶液,若将额外的热容量的影响考虑在内,将得到更精确的结果。

证明

固体在溶剂中溶解,达到溶解平衡后,溶液中的溶质与未溶固体的化学势是相同的:

其中是该条件下,该固体熔液的化学势。这一步利用了理想溶液的假设和拉乌尔定律。化简后得到:

又因为:

其中是摩尔熔化自由焓变。所以溶质固体和溶质熔液之间的化学势差异遵循以下方程:

应用吉布斯-亥姆霍兹方程

经过计算得到:

或:

对上面的方程等号两边进行积分(忽略了摩尔熔化焓随温度的改变)

可以得到最终结果:

参见


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