潜熱

潜熱（潜熱エネルギーまたは変態熱とも呼ばれる）は、一定温度プロセス（通常は溶融や凝縮などの 一次相転移）中に物体または熱力学システムによって放出または吸収されるエネルギーです。

潜熱は、温度や圧力を変えずに物質の状態を変えるために供給または抽出される隠れたエネルギーとして理解することができます。これには、融解潜熱（固体から液体）、蒸発潜熱（液体から気体）、昇華潜熱（固体から気体）が含まれます。^{[1] [2]}

この用語は、1762年頃にスコットランドの化学者ジョセフ・ブラックによって導入されました。ブラックは、物体の温度が一定である間に熱伝達によって体積変化が生じる 熱量測定の文脈でこの用語を使用しました。

潜熱とは対照的に、顕熱は熱として伝達されるエネルギーであり、その結果、物体の温度が変化します。

顕熱と潜熱という用語は、物体とその周囲の間で伝達されるエネルギーを指し、温度変化の発生の有無によって定義され、物体の特性に依存します。顕熱は、物体の温度の変化として感知または感じられます。潜熱は、相変化 (固体/液体/気体) など、物体の温度の変化のないプロセスで伝達されるエネルギーです。

顕熱と潜熱は、自然界のエネルギー伝達の多くのプロセスで観察されます。潜熱は、大気や海水の相変化、蒸発、凝縮、凍結、融解に関連しています。一方、顕熱は、圧力や体積の変化に関連しているものの、相変化を伴わずに大気や海洋、氷の温度変化に明らかとなる伝達エネルギーです。

ブラックによって導入されたこの用語の本来の用法は、意図的に一定温度に保たれたシステムに適用された。このような用法は、膨張潜熱とその他の関連する潜熱を指していた。これらの潜熱は、熱力学の概念的枠組みとは独立して定義される。^[3]

例えば、物体がマイクロ波場の熱放射によって一定温度に加熱されると、体積に対する潜熱または膨張潜熱によって記述される量だけ膨張するか、圧力に対する潜熱によって記述される量だけ圧力が増加する可能性がある。^[4]

潜熱とは、一定温度のプロセス中に物体または熱力学システムによって放出または吸収されるエネルギーです。潜熱の一般的な 2 つの形態は、融解潜熱(融解) と蒸発潜熱(沸騰) です。これらの名前は、固体から液体、液体から気体へと、ある相から次の相に変化するときのエネルギーの流れの方向を表します。

どちらの場合も変化は吸熱的であり、つまりシステムがエネルギーを吸収することを意味します。たとえば、水が蒸発する場合、水分子がそれらの間の引力を克服し、水から蒸気に変化するためにエネルギーの入力が必要です。

その後、蒸気が表面上で液体に凝縮すると、蒸発中に吸収された蒸気の潜熱が液体の顕熱として表面に放出されます。

水蒸気の凝縮エンタルピーの値が大きいため、蒸気は沸騰水よりもはるかに効果的な加熱媒体であり、より危険です。

気象学では、潜熱流束とは、地表での水の蒸発または蒸散とそれに続く対流圏での水蒸気の凝縮に関連する、地球表面から大気へのエネルギー流束のことです。これは、地球の表面エネルギー収支の重要な構成要素です。潜熱流束は、一般的にボーエン比法で測定されてきましたが、最近では 1900 年代半ばから渦相関法で測定されています。

1748年、スコットランドの医師で化学者のウィリアム・カレンによる実験の記述がエディンバラ物理学および文学論文集に掲載されました。カレンは空気ポンプを使用してジエチルエーテルの入った容器内の圧力を下げました。エーテルから熱が奪われなかったにもかかわらず、エーテルは沸騰し、温度が低下しました。^{[5] [6]そして1758年、イギリスの}ケンブリッジの暖かい日に、ベンジャミン・フランクリンと同僚の科学者ジョン・ハドレーは、水銀温度計の球部をエーテルで継続的に濡らし、ふいごを使用してエーテルを蒸発させる実験を行いました。 ^{[7]その後の}蒸発ごとに温度計はより低い温度を示し、最終的に7 °F（-14 °C）に達しました。別の温度計は、室温が65 °F（18 °C）で一定であることを示しました。フランクリンは手紙「蒸発による冷却」の中で、「暖かい夏の日に人が凍死する可能性もある」と述べている。^[8]

英語の「latent 」はラテン語のlatēnsに由来し、「隠れている」という意味です。^{[9] [10]}潜熱という用語は、1750年頃にジョセフ・ブラックによって熱量測定に導入されました。ブラックはスコッチウイスキーの生産者から、蒸留工程で理想的な燃料と水の量を探すよう依頼され、熱浴中で熱力学系が一定温度に保たれているときに生じる体積や圧力などの系の変化を研究しました。

気温が氷点以上になると、空気が明らかに熱源となり、雪は非常にゆっくりと溶け、溶けた雪の温度は氷点に近くなることが知られていました。^[5] 1757年、ブラックは、温度上昇とは関係なく、固体の融解に熱が必要かどうかを調べ始めました。ブラックが知る限り、当時の一般的な見解は、融解には必然的にわずかな温度上昇が伴い、温度上昇自体に必要な熱以上の熱は必要ないというものでした。しかし、ブラックはすぐに、融解には温度上昇だけで説明できるよりもはるかに多くの熱が必要であることを示すことができました。^{[11] [12]}また、液体が凍結するときに熱が放出されることも示しました。これも、温度の低下だけで説明できるよりもはるかに多くの熱です。^[13]

ブラックは、同じ方法で加熱された 2 つの同量の水の温度変化を比較します。一方は氷から溶かしたもの、もう一方は単に冷たい液体の状態から加熱したものです。結果の温度を比較することで、たとえば、氷から溶かしたサンプルの温度はもう一方のサンプルよりも 140 °F 低く、したがって氷を溶かすと 140「度の熱」が吸収され、これは温度計では測定できないものの、供給する必要があったため「潜熱」(隠れた) であったと結論付けることができます。ブラックはまた、蒸留物を沸騰させるために供給された潜熱 (したがって必要な燃料の量) と同じ量の潜熱が、蒸留物を再び凝縮するためにも吸収されなければならない (したがって必要な冷却水の量) と推論しました。^[14]

1762年、ブラックはグラスゴー大学の教授会で次のような研究と結果を発表しました。^[15]ブラックは、32 °F (0 °C) の氷と 33 °F (0.6 °C) の水を、それぞれ同じ大きさの、十分に離れた2つの容器に入れました。水と氷は両方とも、一定に 47 °F (8 °C) であった室内の空気によって均等に 40 °F まで加熱されました。したがって、水は 40 - 33 = 7「度の熱」を受け取りました。氷は21倍長く加熱されたため、7 × 21 = 147「度の熱」を受け取りました。^{[a]氷の温度は 8 °F 上昇しました。氷は、いわば、ブラックが}顕熱と呼んだ形で、さらに 8「度の熱」を蓄え、感じたり測定したりできる温度として現れました。 147 – 8 = 139の「熱度」は、いわば潜熱として蓄えられ、顕熱として現れなかったのです。^{[16] [17] （現代の熱力学では、}閉じ込められた熱の概念は放棄され、顕熱と潜熱は再定義されました。それらはどこにも存在しません。）

ブラックは次に、同じ質量の氷をすべて華氏32度になるまで溶かすには、華氏176度という水温が必要であることを示しました。つまり、氷を溶かすには176度から32度を引いた144度の熱量が必要であると思われました。氷の融解熱の現代の値は、同じスケールで143度（摂氏79.5度）となります。^{[18] [15]}

最終的にブラックは、2つの等しい質量の水の温度をそれぞれ均等に加熱して蒸発させました。彼は、蒸発には830「度」の熱が必要であることを示しました。これも所要時間に基づいています。現代の水の蒸発熱の値は、同じスケールで967「度」になります。^[19]

その後、ジェームズ・プレスコット・ジュールは、潜在エネルギーを粒子の与えられた配置における相互作用のエネルギー、つまり位置エネルギーの一種として特徴づけ、顕熱を温度計によって示されるエネルギーとして特徴づけ、後者を熱エネルギーと関連付けました^[20]。

比潜熱( L ) は、物質の単位質量 ( m )、通常は1 kgの相変化を完全に起こすために必要な熱 ( Q )の形でのエネルギー量を、強度特性として表します。

${\displaystyle L={\frac {Q}{m}}.}$

強度特性は物質の特性であり、サンプルのサイズや範囲には依存しません。文献でよく引用され、表にまとめられているのは、多くの物質の融解潜熱と蒸発潜熱です。

この定義から、物質の与えられた質量に対する潜熱は次のように計算される。

${\displaystyle Q={m}{L}}$

どこ：

Qは物質の相変化中に放出または吸収されるエネルギーの量（kJまたはBTU）です。

mは物質の質量（kgまたはlb）であり、

L は特定の物質の比潜熱（kJ kg ⁻¹または BTU lb ⁻¹）で、融解の場合はL _f、蒸発の場合はL _{v に}なります。

次の表は、一般的な液体と気体の比潜熱と相変化温度（標準圧力）を示しています。^{[引用が必要]}

-25 °C から 40 °C の温度範囲における水の凝縮潜熱は、次の経験的 3 次関数で近似されます。

${\displaystyle L_{\text{water}}(T)\approx \left(2500.8-2.36T+0.0016T^{2}-0.00006T^{3}\right)~{\text{J/g}},}$^[25]

ここで、温度は°C 単位の数値として扱われます。 ${\displaystyle T}$

氷からの昇華および氷への沈着の場合、比潜熱は -40 °C から 0 °C の温度範囲でほぼ一定であり、次の経験的二次関数で近似できます。

${\displaystyle L_{\text{ice}}(T)\approx \left(2834.1-0.29T-0.004T^{2}\right)~{\text{J/g}}.}$^[25]

温度（または圧力）が臨界点まで上昇すると、蒸発潜熱はゼロに低下します。

• ボーエン比
• 渦共分散フラックス（渦相関、渦フラックス）
• 昇華（物理学）
• 比熱容量
• 融解エンタルピー
• 蒸発エンタルピー
• 1トンの冷凍- 24時間で2000ポンドの水を凍らせたり溶かしたりするために必要な電力