クエリ: 液体の融点、気体の昇華点にあたるもので、液体や気体が固体になる温度のことを何という?
文章: 凝固 熱力学の第二法則にもかかわらず、純粋な液体の結晶化には、均質核生成 の高い活性化エネルギーを超える必要があるため、一度凝固点より低い温度になる。これを過冷却と呼ぶ。この状態は固体と液体との境界面の構造である。外部の温度が低いと、中心となる部分のエネルギーを外部に開放するだけの表面エネルギーをまかなえず凝結は前進しなくなる。この場合安定凝結になるためには充分なエネルギーを供給できるほど低温であるか、外部からの刺激要因がないと凝固がはじまらない。それらの要因として、固体、不純気体、固体の結晶化前、その他の凝縮のようなものの表面での不規則の存在によって、雑多な凝縮が起こるかもしれず、何らかのエネルギーが解放され部分的な境界面の破壊が起こると、そこから表面エネルギーを得て過冷却が起こる点は融解点に近くなる。
文章: 蒸発熱 物質の気化に必要なエネルギーは物質により異なる。例えば 25 °C におけるメタノールの蒸発熱は 37.5 kJ/mol であり、同じ温度の水の蒸発熱 44.0 kJ/mol より小さい。おおまかには沸点の低い液体ほど蒸発熱は小さく、高沸点の液体の蒸発熱は大きい。例えば沸点 -269 °C のヘリウムの蒸発熱は 0.08 kJ/mol であり、沸点およそ 5900 °C のタングステンの蒸発熱は約 800 kJ/mol である。沸点が互いに近い液体の蒸発熱は、似た値になることが多い。ただし例外もある。例えば、四塩化炭素(沸点 77 °C)、エタノール(沸点 78 °C)、ベンゼン(沸点 80 °C)の蒸発熱は、それぞれ 29.8, 38.6, 30.7 kJ/mol である。四塩化炭素とベンゼンの蒸発熱が 3% の精度で一致しているのに対して、エタノールの蒸発熱はこれらの物質よりも 30% 近く大きい。すなわち、エタノールを気化する際に必要となる熱量は、その沸点と分子量から予想される量よりも大きい。 気化に必要なエネルギーは、同じ物質でも気化する条件によって異なる。データ集に蒸発熱(または昇華熱)として記載されている値は、平衡蒸気圧の下で 1 モルの純物質の液体(または固体)が同温同圧の純粋な気体に変化する際に、外部から吸収する熱量である。つまり液体(または固体)が気体に相転移するときの潜熱である。この過程は定圧過程なので、吸収される熱量はエンタルピーの変化量に等しい。このエンタルピーの変化量を蒸発エンタルピー(または昇華エンタルピー)という。すなわち、データ集に記載されている蒸発熱は、平衡蒸気圧の下での蒸発エンタルピーである。そのため『化学便覧』(丸善出版)のように、見出しが「融解熱」や「蒸発熱」ではなく、「融解エンタルピー」や「蒸発エンタルピー」となっているデータ集がある。 同じ液体でも気化する温度が高くなると、蒸発熱は小さくなる。例えば 25 °C の水の蒸発熱 44.0 kJ/mol は、100 °C では1割近く減少して 40.6 kJ/mol となる。そのためデータ集などでは、蒸発熱に温度が併記されている。通常は、1 気圧における沸点での値か、25 °C における平衡蒸気圧での値が物質の蒸発熱として記載されている。蒸発熱の変化量はキルヒホッフの法則に従って温度差にほぼ比例するので、沸点の高い液体では沸点における蒸発熱と 25 °C における蒸発熱の差は無視できないほど大きくなる。例えばドデカンでは、沸点 216 °C における蒸発熱は 44 kJ/mol であり、25 °C における蒸発熱 62 kJ/mol の7割程度にまで小さくなる。 文章: 超臨界流体 超臨界流体(ちょうりんかいりゅうたい、英: Supercritical fluid)とは、臨界点以上の温度・圧力下においた物質の状態のこと。気体と液体の区別がつかない状態といわれ、気体の拡散性と、液体の溶解性を持つ。 なお、原子力工学における「臨界状態」とは異なる。 文章: 液体 液体は気体に比べて熱伝導率が高く、また流動性があるため、機械部品の余分な熱を奪うという用途に適している。ラジエターのような熱交換器に液体を通して熱を除去したり、液体を蒸発させて気化熱を奪うことで冷却することもある。エンジンの冷却には水やグリコールが冷却剤として使われている。原子炉の冷却剤としては、水の他にナトリウムやビスマスといった液体金属も使われている。ロケットの燃焼室を冷却するのに液体推進剤を使ったフィルム冷却が行われている。機械加工では摩擦熱などの余分な熱が加工対象と道具の両方を劣化させるため、水や油を使って冷却する。人間の場合も、汗を蒸発させることで余分な熱を除去している。空調の分野では、水などの液体を使ってある場所から別の場所へ熱を移動させる。 液体は流体であるが、気体と比較すると圧縮性が非常に小さい。これを固体の容器に閉じこめた場合、気体の場合とはやや異なったものが出来る。柔らかい容器に入った液体は、体積は変わらないが変形はするため、気体の場合よりはしっかりとした手応えの衝撃吸収素材となる。ウォーターベッドはこれを利用している。また、内部の容積が変わらないような素材で出来た管に液体を閉じこめた場合、パスカルの原理に従って片方からかかった圧力がもう片方へ直接に伝わる。油圧系はこれを利用している。ポンプや水車のような装置は古代から液体の動きを仕事に変換するのに使われてきた。油圧系ではポンプで油に圧力をかけて押し出し、その力を圧力モーターで動力に変換する。油圧系には様々な用途があり、ブレーキ、トランスミッション、建設機械、航空機の制御系などに使われている。液圧式プレス機械は様々な加工や修理に使われている。 液体は計測装置にも使われることがある。温度計は液体の熱膨張と流動性を利用することが多く、水銀などが使われている。マノメーターは液体の重さを使って圧力を測定する。 文章: 超伝導 液体窒素の沸点である-196°C (77 K) 以上で超伝導現象を起こすものは特に高温超伝導物質 (英: cuprate superconductor) と呼ばれる。物質が超伝導状態になることは相転移の一種であり、超伝導相に移り変わる温度を、(超伝導)転移温度という。超伝導に転移する前の相は常伝導という。超伝導体には電気抵抗がゼロになる他にも、物質内部から磁力線が排除されるマイスナー効果によって「磁気浮上」現象を起こす。この時、磁力線の強度への応答の違いから第一種超伝導体 (英: type-I superconductor) と第二種超伝導体 (英: type-II superconductor) とに分類される。第二種超伝導体では磁力線の内部侵入を部分的に許すことで高強度の磁力に対してマイスナー効果が発生する。第二種超伝導体では、ピン止め効果によりゼロ抵抗を維持している。 文章: ガラス転移点 ガラス転移点を測定する主な方法は次のものである。 ガラス転移点で急激に変化する物性は剛性と粘度以外にもあるので、基本的にはこれら変化する物性を測定して温度による変化を捉えることによりガラス転移点を決定できる。特にガラス転移点では吸熱や発熱を伴うことが多いので、手軽に測定できるDSCはその決定に広く使われている。融点は温度軸の1点であり固体と液体という異なる相が共存して平衡状態である温度として正確な1点に定まるが、ガラス転移点は非平衡状態で測定するものであり、点ではなくある温度範囲であり、また温度変化速度でも変わる。つまり、ガラス状態と液体状態とが一定の温度で共存して平衡状態となることはない。実用的には、測定する物性の温度変化グラフに現れるピーク上のある点(例えばピーク頂点)をガラス転移点と定義する。 多くの物質ではガラス転移点より高温に融点が存在し、ガラス転移点と融点との間の温度の液体状態は過冷却状態ということになる。それゆえこの温度範囲の液体は平衡的には結晶よりも不安定な準安定状態であるが、結晶化速度が遅かったり結晶核などがないと結晶化のエネルギー障壁が高かったりするために、液体状態を保っている。融点のみ持ちガラス転移点を持たない物質もあれば、ガラス転移点のみを持ち融点を持たない物質もある。 文章: フッ化水素 融点 -84 °C、沸点 19.54 °C で、常温では気体または液体。塩化水素などの他のハロゲン化水素の場合に比べて性質が異なる点がある。まず、F-H の結合エネルギーが大きいために電離し難く、希薄水溶液においては弱酸として振舞う。これはフッ化物イオンのイオン半径が小さいため、水素イオンとの静電気力が強いことによるとも解釈される。また、水素結合により分子間に強い相互作用を持つことから、分子量の割りに沸点が高くなっている。また、フッ素の電気陰性度があまりに大きいために、フッ化水素同士で二量体あるいはそれ以上の多量体を生成する。80°C以上の気体状態では単量体が主となる。液体フッ化水素は、様々な物質に対し大きな溶解能を有する。プロトン性極性溶媒であり、水などと同様に自己解離が存在するが、フッ素の高い陰性により、フッ化物イオンは更に一分子のHFと結合して溶媒和する。 文章: 昇華 (化学) 二酸化炭素は常圧で昇華する化合物のひとつである。常温で固体 CO2 (ドライアイス)を放置すれば、液体を経ずに気体へと変化するのが観測できる。また、ヨウ素も常圧、室温条件下で昇華する物質のひとつである。徐々にではあるが、水の氷も氷点以下では昇華する。フリーズドライに利用されるこの現象は、例えば長期にわたって冷凍保存した食料が干からびてしまうこと(いわゆる冷凍焼け)や、氷点下の寒い日に濡れた布を野外に吊るしておくと乾燥状態になることで確かめられる。また、ナフタレン(防虫剤の成分)は徐々に昇華することで、防虫効果を長期間維持することができる。固体から気体への昇華は吸熱的であり、エネルギーを必要とする。 文章: 気体 気体というのは、物質の集合状態のひとつであり、圧縮やズレに対する抵抗が小さく、膨張に対してはまったく抵抗を示すことなく無限に体積を大きくしようとし、体積も形も一定でない状態をこう呼んでいる。 気体は、物質の三態のひとつである。 純粋な気体を構成する粒子は、原子の場合(ネオンなどの希ガス)、同一種類の原子から構成される元素分子の場合(酸素など)、複数種類の原子から成る化合物分子の場合(二酸化炭素など)がある。混合気体は複数の純粋な気体が混じりあったものである。空気もそれ(混合気体)にあたる。 液体や固体との大きな違いは、気体を構成する粒子間の距離が大きい点である。気体粒子の相互作用は電場や重力場のある状態では無視できる程度であり、右図のようにそれぞれの粒子が一定の速度ベクトルを持つ。 文章: 気体 気相は液相とプラズマ相の中間にあり、プラズマへと転移する温度が気体の存在する上限温度となる。極低温で存在する量子縮退気体が近年注目を集めている。高密度の原子気体を極低温に冷却したものは、ボース気体またはフェルミ気体と呼ばれる統計的振る舞いを示す。詳しくはボース=アインシュタイン凝縮を参照。 気体は液体とともに流体であるが、分子の熱運動が分子間力を上回っており、液体の状態と比べ、原子または分子がより自由に動ける。通常では固体や液体より粒子間の距離がはるかに大きく、そのため密度は最も小さくなる。また、圧力や温度による体積の変化が激しい。構成粒子間でのやりとりが少ないので、熱の伝導は低い。 気体状態では、粒子は自由かつランダムに動く熱運動をしている。また、それを構成する粒子間の引力(分子間力)は働かない。さらにその粒子の大きさ、質量共に気体の体積に比べてはるかに小さい。このために気体の状態では物質の種類を問わずに共通の性質が表れやすい。たとえば同一温度、同一気圧の下では、気体の種類を問わず同一体積中に含まれる分子数は一定である。これをアボガドロの法則という。気体分子の大きさと質量を存在しないものとした仮想の気体のモデルを理想気体といい、気体の基本的性質を示すために扱われる。 文章: 二酸化炭素 常温常圧では無色無臭の気体。常圧では液体にならず、-79 °C で凝華して固体(ドライアイス)となる。水に比較的よく溶け、水溶液(炭酸)は弱酸性を示す。このためアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液および固体は二酸化炭素を吸収して、炭酸塩または炭酸水素塩を生ずる。高圧で二酸化炭素の飽和水溶液を冷却すると八水和物 CO 2 8 H 2 O {\displaystyle {\ce {CO2\cdot 8H2O}}} を生ずる。炭素を含む石油、石炭、木材などの燃焼、動植物の呼吸や微生物による有機物の分解、火山活動などによって発生する。安定な物質で、マグネシウムなど還元性の強い金属を除けば二酸化炭素中で燃焼は起こらない。また植物の光合成によって二酸化炭素は様々な有機化合物へと固定される。また、三重点 (-56.6 °C、0. 文章: 変成作用 温度と圧力は変成作用にでおける物理的条件の主要例で、温度や圧力の変化により再結晶が起こり、原岩の鉱物組成や組織が変化することで変成作用が進行する。特に高温であるほど変成作用の速度は上昇する。高温時の再結晶作用は昇温期変成作用(prograde metamorphism)とよばれる。しかし、温度上昇が停止し冷却が開始すると反応は終了し、変成岩の形成は完了する。この時を温度ピーク(thermal peak)とよぶ。ただし、水が十分にある場合などではその後の温度低下中でも変成作用が起こり、後退変成作用(retrograde metamorphism)という。これらの温度変化は、温度-圧力図の上で表示することができる。なお、変成岩の形成時の温度や圧力の推定のときは、多形鉱物や地質温度計を用いるとよい。 文章: 液体 固体における原子/分子の拡散(または粒子変位)のメカニズムは、液体における粘性流と凝固の機構と密接に関連している。液体中の分子間の「自由空間」を使った粘度の説明は、常温で液相となる分子同士の「会合」が見られる液体を説明するために修正されてきた。様々な分子が集まって分子会合を形成するとき、それまで分子が自由に動き回っていたある範囲の空間を半ば固体のような系で取り囲む。したがって冷却されると分子の多くが「会合」し、粘度が増す。 粘度は有限の圧縮率を持つ液体では体積の関数とみなすこともでき、同様の議論は粘度への圧力の効果を説明するのにも使える。したがって、圧力増加に伴って粘度も上昇することが予測される。さらに体積は熱によって膨張するが、同時に圧力を増加して体積を一定に保てば、粘度は一定となる。 原子が平衡状態から非平衡状態に遷移するのにかかる平均時間を緩和時間と呼び、マクスウェルの気体分子運動論で最初に言及された。最も単純化した単原子分子の液体の場合、構造緩和 (structural relaxation) とは、液体に圧力がかかってより高密度でコンパクトな分子配置になる場合、あるいは逆に圧力が弱まって低密度な分子配置に変化する場合といった局所構造の秩序の度合いが変化することを指す。相互配向の転位と再配分に関わるため、体積(あるいは圧力)が変化し始めてから局所構造が変化するまで一般に遅れが存在する。そういったプロセスには一定の賦活エネルギーが必要であり、有限の速度でしか進行しない。過冷却液体がガラス転移点付近で不可逆な塑性変形による粘性の緩和を起こすのもこれが原因である。 文章: 液体 液体は、物質の状態(固体・液体・気体)の一つである。気体と同様に流動的で、容器に合わせて形を変える。液体は気体に比して圧縮性が小さい。気体とは異なり、容器全体に広がることはなく、ほぼ一定の密度を保つ。液体特有の性質として表面張力があり、それによって「濡れ」という現象が起きる。 液体の密度は一般に固体のそれに近く、気体よりもはるかに高い密度を持つ。そこで液体と固体をまとめて「凝集系」などとも呼ぶ。一方で液体と気体は流動性を共有しているため、それらをあわせて流体と呼ぶ。 文章: 水蒸気 一定圧力下で常温の水をゆっくり加熱すると、ある温度(大気圧 760 mmHg のもとでは 100 °C)で蒸気に変わる。加熱に伴って水が蒸発し全体の体積が増加するが、その間温度は一定のまま変わらない。すべての水が蒸発して気体となった後、ゆっくりとさらに加熱すると、蒸気の温度は再び増加し始める。 蒸気となった水を冷却すると、同じ経路を逆にたどって、蒸気は凝縮して液体の水になる。以上の変化は、水に限らず一般の物質に共通している。一部の水(液体)が蒸発を始める温度を、その圧力における飽和温度とよび、逆にその圧力を、その温度における飽和圧力(飽和蒸気圧)とよぶ。標準大気圧の水の飽和温度は 100 °C であり、100 °C の水の飽和圧力は 760 mmHg = 1013.25 hPa である。飽和温度は圧力が上昇すると共に上昇する。 飽和温度の水(液体)を飽和水(水以外では飽和液)、蒸気を飽和蒸気とよび、飽和温度以下の温度の水(液体)をサブクール水(水以外ではサブクール液)、飽和温度以上の温度の蒸気(気体)を過熱蒸気(水以外でも同じ)とよぶ。サブクール水または過熱蒸気の熱力学的状態は、二つの状態量(通常は圧力と温度)で指定することができる。 文章: 融解 固体の温度を融点まで上昇させるためには熱エネルギーを要する。さらに固体が液体に変化する過程自体にも熱エネルギーが必要とされるが、これは融解熱(潜熱)により液体そのものの中にエネルギーが吸収されるためである。 熱力学的には、融点では物質のエンタルピーとエントロピーは増大するため、ギブス自由エネルギーの変化はゼロとなっている。融点は圧力によって変化する。融解は液体のギブス自由エネルギーが同じ物質からなる固体のギブス自由エネルギーよりも低いときに生じ、次の式で表される。m Δ S = Δ H T {\displaystyle \Delta S={\frac {\Delta H}{T}}}