加熱曲線：氷の融解から沸騰までHeating Curve: From Melting Ice to Boiling

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. -20 °C の氷を同じ強さで加熱し続けると、温度-時間グラフはどんな形になるだろうか。まっすぐ上がり続けるだろうか。If ice at -20 °C is heated steadily at the same power, what shape will the temperature–time graph have? Will it keep rising in a straight line?💡 氷がとけている途中のコップの氷水は何 °C か思い出そう。Recall the temperature of a glass of ice water while the ice is still melting.
2. 氷の量を 2 倍にすると、とけている時間と、とけているときの温度はそれぞれどうなるだろうか。If the amount of ice is doubled, what happens to the time it takes to melt and to the temperature while it melts?💡 時間と温度を分けて考えよう。とかすのに必要な熱量は何によって決まるだろうか。Think about time and temperature separately. What does the heat needed for melting depend on?

2動かしてみようTry it

1. 初期値（加熱パワー 1000 W、氷の質量 100 g、速度 ×5）で「リセット」を押し、温度-時間グラフ・ビーカー・分子モデルを最後まで見る。必要なら速度を ×20 や ×50 にする。With the starting values (Power 1000 W, Mass of ice 100 g, Speed ×5), press "Reset" and watch the temperature-time graph, the beaker and the molecule model until the end. Change Speed to ×20 or ×50 if needed.
2. パネルの「傾き 氷 … °C/s ・ 水 … °C/s」と「平坦部 融解 … s ・ 沸騰 … s」の値を記録し、グラフの傾きや平坦部の長さと比べる。Record "Slope: ice … °C/s · water … °C/s" and "Flat parts: melting … s · boiling … s" from the panel and compare them with the slopes and flat parts on the graph.
3. 加熱中、分子モデルの下にある「速さ」のバーと「0°C比×」の数値が、温度が上がるときと平坦部（融解中・沸騰中）とでどう違うかを見る。During heating, watch how the "Speed" bar and the "vs 0°C ×" value under the molecule model behave while the temperature rises compared with the flat parts (melting and boiling).
4. 氷の質量を 200 g にして（自動でリセットされる）、平坦部の長さと平坦部の温度、傾きを 100 g のときと比べる。Set Mass of ice to 200 g (the simulation resets automatically) and compare the length and temperature of the flat parts, and the slopes, with the 100 g case.
5. 氷の質量を 100 g に戻し、加熱パワーを 2000 W にして「リセット」を押し、傾きと平坦部の時間の変化を見る。Set Mass of ice back to 100 g, set Power to 2000 W, press "Reset", and see how the slopes and the times of the flat parts change.

3確かめようCheck

1. グラフで温度が一定になったのはどこか。そのとき何が起きていたか。Where on the graph did the temperature stay constant, and what was happening then?→ 0 °C（融解中、約 33.4 s）と 100 °C（沸騰中、約 226.0 s）の 2 か所。加熱は続いているが、熱は氷がとける・水が水蒸気になる状態変化に使われ、温度は上がらない。At 0 °C (melting, about 33.4 s) and at 100 °C (boiling, about 226.0 s). Heating continues, but the heat is used to melt the ice or turn the water into vapor, so the temperature does not rise.
2. 1000 W・100 g のとき、氷と水の温度上昇の傾きはそれぞれいくらか。どちらが急か。At 1000 W and 100 g, what are the warming slopes of ice and water? Which is steeper?→ 氷 4.76 °C/s、水 2.38 °C/s で、氷の方が 2 倍急。氷の比熱（2.1 J/(g·K)）が水（4.2 J/(g·K)）の半分なので、同じ熱で 2 倍温度が上がる。Ice 4.76 °C/s and water 2.38 °C/s, so ice is twice as steep. The specific heat of ice (2.1 J/(g·K)) is half that of water (4.2 J/(g·K)), so the same heat raises its temperature twice as much.
3. 氷を 200 g にすると、平坦部の長さと温度はどう変わったか。With 200 g of ice, how did the length and the temperature of the flat parts change?→ 平坦部の長さは 2 倍（融解 66.8 s、沸騰 452.0 s）になり、傾きは半分（氷 2.38 °C/s、水 1.19 °C/s）になったが、平坦部の温度は 0 °C と 100 °C のまま変わらない。The flat parts became twice as long (melting 66.8 s, boiling 452.0 s) and the slopes were halved (ice 2.38 °C/s, water 1.19 °C/s), but the flat-part temperatures stayed at 0 °C and 100 °C.
4. 融解中や沸騰中、分子の「速さ」のバーはどうなっていたか。What did the molecules' "Speed" bar do during melting and boiling?→ 温度が一定なので速さのバーもほぼ一定のままで、氷の格子がくずれて液体に、液体から気体の分子へと並び方（状態）だけが変わっていった。温度が上がる区間ではバーが伸びた。Because the temperature was constant, the Speed bar stayed almost the same; only the arrangement changed, from an ice lattice to liquid and from liquid to gas molecules. The bar grew only while the temperature was rising.

4考えようThink further

1. 沸騰の平坦部が融解の平坦部より約 6.8 倍長いのはなぜか。Why is the boiling flat part about 6.8 times longer than the melting flat part?→ 水 1 g を水蒸気にするのに必要な熱（蒸発熱 2260 J/g）が、氷 1 g をとかす熱（融解熱 334 J/g）の約 6.8 倍だから。気体になるには分子どうしの結びつきをほぼ完全に切り離す必要があり、多くのエネルギーがいる。Because the heat needed to vaporize 1 g of water (heat of vaporization 2260 J/g) is about 6.8 times the heat needed to melt 1 g of ice (heat of fusion 334 J/g). Becoming a gas requires almost completely separating the molecules, which takes much more energy.
2. 加熱パワーを 2000 W にすると、平坦部の温度は変わるか。グラフ全体はどう変わるか。If the power is raised to 2000 W, does the flat-part temperature change? How does the whole graph change?→ 平坦部の温度は 0 °C と 100 °C のまま。1 秒あたりに加わる熱が 2 倍になるので、傾きは 2 倍（氷 9.52 °C/s、水 4.76 °C/s）、平坦部の時間は半分（融解 16.7 s、沸騰 113.0 s）、全過程は約 306 s から約 153 s になる。The flat parts stay at 0 °C and 100 °C. Twice as much heat is added each second, so the slopes double (ice 9.52 °C/s, water 4.76 °C/s), the flat parts are halved (melting 16.7 s, boiling 113.0 s), and the whole process goes from about 306 s to about 153 s.

よくある誤解Common misconceptions

• 加熱し続ければ温度はいつも上がり続ける、という誤解。状態変化の間は、加えた熱が状態変化に使われて温度は一定になる。The idea that a substance's temperature always rises as long as it is heated. During a change of state, the heat goes into the change and the temperature stays constant.
• 強く加熱したり量を増やしたりすると、とける温度や沸騰する温度が変わる、という誤解。変わるのは平坦部の時間で、温度（融点・沸点）は変わらない。The idea that stronger heating or a larger amount changes the melting or boiling temperature. Only the length of the flat parts changes; the melting and boiling points stay the same.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)