比熱

早速ですがクイズ。 ここに鉄と水があります。温まりやすいのはどっちでしょうか?

「金属である鉄のほうが温まりやすいに決まってるじゃん!」って?

本当にそうでしょうか。 鉄が1kgで,水が1gだとしても?

(問題文では量まで触れていませんでしたが,もちろんわざとですw)

お湯を沸かすとき,水の量が多いと沸騰しにくいことからも分かるとおり,同じ材質であっても,質量が大きい方がより温まりにくいです。 金属がいかに温まりやすいとしても,1kgの鉄と1gの水では,さすがに水のほうがすぐ温まります。

…でも,この比べ方はちょっとフェアじゃないですよね?

“材質として” どちらが温まりやすいかを比べるなら,質量を揃えてからじゃないと,ちゃんと比べたことになりません。 ここで登場するのが「比熱」の概念です。

材質の温まりやすさと比熱の関係

1gの物体の温度を1K上げるのに必要な熱量のことを「比熱」といいます。

言い換えると,物体1gあたりの熱容量のことです(単位はJ/(g・K),「ジュール毎グラム毎ケルビン」と読む)。

質量を1gに揃えているので,鉄と水の材質としての温まりやすさを比べる場合は,比熱の大きさで比べればよい,ということになります。

ちなみに,鉄の比熱はおよそ0.45J/(g・K),水の比熱はおよそ4.2J/(g・K) で,鉄のほうが約10倍温まりやすいと言えるでしょう。


比熱と熱容量の関係

鉄の比熱は0.45J/(g・K)ということですが,では,鉄100gの熱容量は何J/Kでしょうか?

これは比熱と熱容量の意味を考えれば簡単に分かることです。

比熱 → 1gの物質の温度を1K上げるのに必要な熱量

熱容量 → 物質全体の温度を1K上げるのに必要な熱量

でした。これはいつでも言えるようにしておいてください!

鉄の場合,比熱が0.45J/(g・K)ということは,鉄1gの温度を1K上げるのに0.45J必要ということなので,100gならばその100倍の熱が必要になります。

よって,問題の答えは,100g ✕ 0.45J/(g・K) = 45J/Kとなります。

この比熱と熱容量の関係を使うと,前回やった「温度変化に必要な熱量」の公式の比熱ver. が作れます。 まとめノートを参照してください!

今回のまとめノート


時間に余裕がある人は,ぜひ問題演習にもチャレンジしてみてください! より一層理解が深まります。

【演習】比熱比熱に関する演習問題にチャレンジ!...

次回予告

次回は「温度変化に必要な公式」を用いた計算を扱います!

熱量保存の法則熱平衡に関する典型問題の考え方を解説します!...