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昇華エンタルピー

1850

Germain Hess

（画像はイメージです）

昇華エンタルピー [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex] は、特定の温度で 1 モルの物質を固体から気体に変換するのに必要な熱量であり、プレッシャーヘスの法則によれば、エンタルピーは状態関数であるため、このエネルギー変化は融解エンタルピー（[latex]Delta H_{text{fus}}[/latex]）と蒸発エンタルピー（[latex]Delta H_{text{vap}}[/latex]）の合計になります。

関係式 [latex]Delta H_{text{sub}} = Delta H_{text{fus}} + Delta H_{text{vap}}[/latex] は、熱化学の基本原理であるヘスの定熱総和の法則を直接適用したものです。この法則は、初期状態と最終状態が同じであれば、化学的または物理的プロセス中の全エンタルピー変化は、経路に関係なく同じであると述べています。この文脈では、初期状態は固体相であり、最終状態は気体相です。固体から気体になるには、2 つの経路が考えられます。直接的な 1 段階の経路 (昇華) または 2 段階の経路 (固体を液体に融解し、次に液体を気化して気体にする) です。

直接経路のエンタルピー変化は昇華エンタルピー [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex] です。2段階経路のエンタルピー変化は、融解エンタルピー (固体から液体への相転移の場合 [latex]Delta H_{text{fus}}[/latex]) と蒸発エンタルピー (液体から気体への相転移の場合 [latex]Delta H_{text{vap}}[/latex]) の合計です。どちらの経路でも初期状態と最終状態は同じなので、ヘスの法則により、それらの総エンタルピー変化は等しくなければなりません。この原理は、既知の値から未知のエンタルピー変化を計算できるため、非常に有用です。例えば、融解エンタルピーや蒸発エンタルピーは昇華エンタルピーよりも実験的に測定しやすい場合、昇華エンタルピーを正確に計算することができます。このデータは、化学技術者や物理学者が、物質堆積、極低温工学、天体物理学など、昇華が重要な要素となるプロセスを設計したり、物理現象をモデル化したりする上で不可欠です。

化学, 極低温学, エネルギー, エンタルピー, 熱処理, 材料科学, 相図, プロセス最適化, 熱力学

UNESCO Nomenclature: 2210

熱力学

タイプ

物理法則

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

アントワーヌ・ラヴォアジエとピエール＝シモン・ラプラスによる、熱量測定と化学反応における熱変化に関する研究
エンタルピー（熱量）の概念の発展
the first law of thermodynamics (conservation of energy)

アプリケーション

工業用凍結乾燥プロセスのエネルギー必要量の計算
大気圏再突入時の宇宙船の耐熱シールドのアブレーションをモデル化する
彗星が太陽に接近する際の挙動を予測する
昇華に基づく化学精製装置の設計
thermodynamic database development for materials science

特許:

潜在的なイノベーションのアイデア

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歴史的背景

Demonstration of Joule heating in a vintage laboratory with electric appliances.

ジュール熱と電力

ジュール熱、またはオーム熱とは、導体を流れる電流によって熱が発生する現象です。熱発生率、すなわち消費電力（[latex]P[/latex]）は、ジュールの第一法則[latex]P = VI[/latex]で表されます。これをオームの法則と組み合わせると、電力は[latex]P = I^2 R[/latex]または[latex]P = frac{V^2}{R}[/latex]と表すことができます。

Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

理想気体の内部エネルギーとエンタルピー

理想気体の場合、内部エネルギー ([latex]U[/latex]) とエンタルピー ([latex]H[/latex]) は温度のみの関数です。それらの変化は [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] および [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex] で与えられます。ここで、[latex]c_v[/latex] と [latex]c_p[/latex] はそれぞれ定容比熱と定圧比熱であり、一定であると仮定されます。

Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

粘弾性

粘弾性とは、変形時に粘性と弾性の両方の特性を示す材料の性質のことです。蜂蜜のような粘性材料は、せん断流に抵抗し、応力が加わると時間とともに直線的に歪みます。ゴムバンドのような弾性材料は、伸ばすと歪み、応力が取り除かれるとすぐに元の状態に戻ります。粘弾性材料は、これら両方の性質を併せ持っています。

昇華エンタルピー

Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

熱力学第二法則

熱力学第二法則はエントロピーの概念を導入し、自発的な過程の方向を定義します。この法則は様々な形で表現できますが、重要な帰結として、孤立系の全エントロピーは時間とともに決して減少しないということが挙げられます。この法則は「時間の矢」を説明し、熱が高温物体から低温物体へ自発的に流れるといった過程が不可逆である理由を明らかにします。

Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

完全気体モデル

理想気体とは、分子間力を無視し、比熱容量（[latex]C_P[/latex]と[latex]C_V[/latex]）が温度に対して一定であると仮定した気体の理論モデルです。これにより、熱力学的計算が大幅に簡略化されます。これは、比熱が温度によって変化する理想気体の特殊なケースであり、より制約の多いモデルと言えます。

19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

理想気体の法則（統計形式）

理想気体の法則の統計力学的な定式化は、気体の微視的な性質に基づいて関係性を表します。圧力（[latex]P[/latex]）と体積（[latex]V[/latex]）は、ボルツマン定数（[latex]k_B[/latex]）を介して、粒子の総数（[latex]N[/latex]）と絶対温度（[latex]T[/latex]）に関係付けられます。[latex]PV = Nk_BT[/latex]。

1841

1845

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1839-01-01

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1847

1850

Solar panel installation demonstrating the photovoltaic effect in solid state physics.

光起電力効果

光起電力効果とは、物質に光が照射された際に電圧と電流が発生する現象です。これは物理的かつ化学的な現象です。一般的な応用例としては太陽電池があり、これはこの効果を利用して太陽光を直接電気に変換します。この効果は、光子が電子をより高いエネルギー状態に励起することに基づいています。

19th century laboratory with thermodynamic instruments and Mayer's relation equations.

メイヤーの関係式（熱力学）

メイヤーの関係式は、理想気体の比熱と比気体定数（[latex]R_s[/latex]）の関係を表します。その関係式は [latex]c_p - c_v = R_s[/latex] です。モル比熱（[latex]C_p[/latex] および [latex]C_v[/latex]）については、[latex]C_p - C_v = R[/latex] の関係式となります。ここで、[latex]R[/latex] は普遍気体定数です。このことから、[latex]c_p[/latex] は常に [latex]c_v[/latex] より大きいことがわかります。

19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

エネルギー保存の法則

孤立系の全エネルギーは時間とともに一定に保たれるという基本原理。エネルギーは生成も消滅もせず、位置エネルギーから運動エネルギーのように、ある形態から別の形態へと変換されるだけである。古典力学では、保存力のみを持つ系の場合、全力学的エネルギー[latex]E = T + V[/latex]は保存される。

Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

粘度の温度依存性

ニュートン流体の場合、粘度は温度と圧力の関数であり、せん断速度の関数ではありません。液体では、温度が上昇すると粘度は著しく低下します。これは、熱エネルギーが高くなると、分子が分子間凝集力をより容易に克服できるためです。逆に、気体では、温度の上昇とともに粘度が増加します。これは、高速で分子衝突が頻繁に起こることで、運動量の伝達が大きくなるためです。

Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

熱力学第一法則

第一法則はエネルギー保存の法則を表すものです。閉鎖系の内部エネルギーの変化（ΔU）は、系に供給された熱量（Q）から系が周囲に対して行った仕事量（W）を差し引いたものに等しいとされています。支配方程式はΔU = Q - Wです。この法則は熱、仕事、内部エネルギーを結びつけ、熱がエネルギー伝達の一形態であることを確立しています。

Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

化学平衡における触媒

触媒は、活性化エネルギーの低い代替反応経路を提供することで、正反応と逆反応の両方の反応速度を等しく増加させます。触媒によって系は平衡状態に非常に速く到達しますが、平衡の位置自体は変化しません。反応物と生成物の平衡濃度、および平衡定数Kの値は変化しません。

19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

理想気体の法則（モル形式）

理想気体の法則は、仮想的な理想気体の状態方程式であり、さまざまな条件下での多くの気体の挙動を近似します。モル形式は、圧力 ([latex]P[/latex])、体積 ([latex]V[/latex])、物質のモル数 ([latex]n[/latex])、および絶対温度 ([latex]T[/latex]) を普遍気体定数 ([latex]R[/latex]) を介して関連付けます。[latex]PV = nRT[/latex]。

Laboratory apparatus for measuring vapor pressure and temperature in thermodynamics.

クラウジウス・クラペイロンの関係

クラウジウス・クラペイロンの関係式は、液体と蒸気などの相転移状態にある物質の圧力と温度の関係を表します。水蒸気の場合、飽和蒸気圧は温度とともに指数関数的に増加します。近似式は [latex]frac{dp}{dT} = frac{L}{T(V_v - V_l)} approx frac{L p}{R_v T^2}[/latex] で、L は潜熱です。

（日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。）