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熱量の保存と状態変化

要点

熱量の保存高温の物が失った熱量 = 低温の物が得た熱量
温度が変わるときの熱量Q = mcΔTm は質量(g)、c は比熱(J/(g·K))、ΔT は温度の変化(K)です。
状態が変わるときの熱量Q = m × (1 g あたりの融解熱・蒸発熱)
状態変化の間温度は一定

1熱平衡

温度の違う物が触れると、高温の物から低温の物へ熱が移り、やがて同じ温度になります。

冷たい水を張ったおけに、温めた缶の飲み物を入れておきます。しばらくすると、缶は冷えて、おけの水は少し温まります。

冷たい水を張ったおけに、温めた缶を沈めた様子。缶からまわりの水へ、熱が移る向きを矢印で示している 熱 缶 水

矢印は、熱が移る向きです。

熱は、温度の違いによって移るエネルギーです。この場面では、温かい缶から、おけの冷たい水へ熱が移ります。熱を失った缶は温度が下がり、熱を得た水は温度が上がります。

缶の温度は下がり、水の温度は上がるので、2つの温度の差はだんだん小さくなります。やがて2つは同じ温度になり、熱は移らなくなります。このように、触れ合った物どうしが同じ温度になり、熱が移らなくなった状態を熱平衡といいます。

下の図で、2本の温度計が、いつ、何 ℃ でそろうかを見ます。

熱 カップの湯 水そうの水

熱は外へ逃げないとします。カップが温まる分は考えません。

カップの湯の温度 ℃ 水そうの水の温度 ℃

やってみよう

時間を 0 分から 1 分ずつ進めてください。2本の温度計が同じ温度になるのは何分後ですか。そのときの温度は何 ℃ ですか。

分かること

6 分後に、どちらも 35.0 ℃ になります。そのあとは、時間を進めても 35.0 ℃ のままで、熱の矢印も出ません。

確認

熱平衡になった後、カップの湯が、水そうの水より冷たくなることはありますか。

答え

ありません。同じ温度になると、熱は移らなくなるからです。

2熱量の保存

熱が外へ逃げないとき、高温の物が失った熱量と、低温の物が得た熱量は等しくなります。

お風呂の湯が熱すぎるときは、蛇口から水を足して、ぬるくします。湯は冷めて、足した水は温まります。

湯気の立つ浴槽の湯に、蛇口から水を足している様子 湯 足す水

湯と水が混ざると、温度の高い湯から、温度の低い水へ熱が移ります。このページでは熱は外へ逃げないので、湯が失った熱量は、そのまま全部、水が得ます。高温の物が失った熱量と、低温の物が得た熱量が等しいことを熱量の保存といいます。

移った熱の量を熱量といい、記号は Q、単位は J(ジュール)です。J はエネルギーの単位です。温度の変化は、℃ で数えても K(ケルビン)で数えても同じ数です。温度が変わるときの熱量は、次の式で求めます。

Q = mcΔT
m は質量(g)、c は比熱(J/(g·K))、ΔT は温度の変化(K)です。mcΔT は m × c × ΔT のことです。

比熱は、物質 1 g の温度を 1 K 上げるのに要る熱量です。水の比熱は 4.2 J/(g·K) です。

熱量の保存の式では、ΔT に、温度が変わった大きさを入れます。どちらも正の数にします。温度が下がった湯は「前の温度 − 後の温度」、温度が上がった水は「後の温度 − 前の温度」です。

80 ℃ の湯 100 g と、20 ℃ の水 100 g を混ぜます。同じ量なので、湯の温度が下がる分と、水の温度が上がる分は同じです。混ぜた後は、真ん中の 50 ℃ になります。湯が失った熱量は、100 × 4.2 × (80 − 50) = 12600 J です。水が得た熱量は、100 × 4.2 × (50 − 20) = 12600 J です。2つの熱量は、等しくなっています。

80 ℃ の湯 100 g と、20 ℃ の水 200 g を混ぜます。混ぜた後の温度を t(℃)とします。このページの t は時間ではなく、セルシウス温度です。湯が失った熱量は 100 × 4.2 × (80 − t)、水が得た熱量は 200 × 4.2 × (t − 20) です。熱量の保存から、2つを等号で結びます。

100 × 4.2 × (80 − t) = 200 × 4.2 × (t − 20)

両辺を 420(= 100 × 4.2)で割ると、80 − t = 2(t − 20) です。80 − t = 2t − 40 なので、3t = 120、t = 40 ℃ です。水のほうが多いので、混ぜた後の温度は、水の 20 ℃ に近くなります。

下の図で、湯の量を変えたときの、湯が失った熱量と水が得た熱量を比べます。

混ぜる前 混ぜた後 湯 80 ℃ 100 g 水 20 ℃ 100 g 混ぜる 湯が失った熱量 水が得た熱量 熱量 [J]

斜線の棒が湯が失った熱量、枠だけの棒が水が得た熱量です。

混ぜた後の温度 ℃ 湯が失った熱量 J 水が得た熱量 J

やってみよう

湯の量の「200 g」のボタンを押してください。湯が失った熱量と、水が得た熱量は、それぞれ何 J ですか。混ぜた後の温度は何 ℃ ですか。

分かること

どちらも 16800 J で、等しくなっています。混ぜた後の温度は 60.0 ℃ です。

確認

80 ℃ の湯と 20 ℃ の水を混ぜた後の温度が、90 ℃ になることはありますか。

答え

ありません。湯は 80 ℃ より下がり、水は 20 ℃ より上がるので、混ぜた後は 20 ℃ と 80 ℃ の間になります。

例題

100 ℃ に温めた質量 200 g の鉄の球を、20 ℃ の水 150 g に入れました。熱平衡になったときの温度は何 ℃ ですか。鉄の比熱は 0.45 J/(g·K)、水の比熱は 4.2 J/(g·K) とし、熱は外へ逃げないものとします。

  1. 熱平衡になったときの温度を t(℃)とします。
  2. 鉄の球が失った熱量は、200 × 0.45 × (100 − t) = 90 × (100 − t) です(下がったので 前 − 後)。
  3. 水が得た熱量は、150 × 4.2 × (t − 20) = 630 × (t − 20) です(上がったので 後 − 前)。
  4. 熱量の保存から、90 × (100 − t) = 630 × (t − 20) です。
  5. 両辺を 90 で割ると、100 − t = 7(t − 20) です。
  6. 100 − t = 7t − 140 なので、8t = 240、t = 30 ℃ です。

答え: 30 ℃

3物質の三態

物質には固体・液体・気体の3つの状態があり、熱を加えると固体 → 液体 → 気体の向きに変わります。

冷凍庫の氷、コップの水、やかんの口から出る湯気を思い浮かべてください。氷も、コップの水も、やかんの湯が沸いてできる水蒸気も、どれも同じ水という物質です。状態が違うだけです。

冷凍庫の氷、コップの水、コンロにかけたやかんを並べた図。やかんの中では湯が沸いて、水蒸気の泡が上っている。やかんの注ぎ口から少し離れた所に、白い湯気が見えている 水蒸気(気体) 湯気 氷(固体) 水(液体)

物質には、固体・液体・気体の3つの状態があります。水なら、氷が固体、水が液体、水蒸気が気体です。この3つの状態を、物質の三態といいます。物質が、ある状態から別の状態に変わることを状態変化といいます。

物質をつくる小さな粒子(原子や分子)は、いつも動いています。この動きを熱運動といいます。固体では、粒子は決まった位置に並び、その場で振動しています。だから、固体は形が決まっています。液体では、粒子は互いに引き合いながらも、位置を入れかえて動いています。だから、液体は形が変わり、流れます。気体では、粒子はばらばらに離れて、飛び回っています。だから、気体は容器いっぱいに広がります。

固体に熱を加えていくと、やがて粒子は並んだ位置を離れて動き出し、液体になります。さらに熱を加えると、粒子はばらばらに飛び出して気体になります。熱を加えると、固体 → 液体 → 気体 の向きに変わります。熱を奪うと、その逆の向きに変わります。

6つの状態変化には、それぞれ名前があります。

変化名前熱例
固体 → 液体融解加える氷がとける
液体 → 固体凝固奪う水が凍る
液体 → 気体蒸発加えるぬれた洗濯物が乾く
気体 → 液体凝縮奪う冷たいコップの外側に水滴が付く
固体 → 気体昇華加えるドライアイスが小さくなる
気体 → 固体凝華奪う冬の朝、草の上に霜ができる

教科書によっては、気体から固体への変化も「昇華」と呼びます。

蒸発は、液体の表面で起こります。洗濯物が乾くように、湯が沸くほど熱くなくても起こります。液体を熱していくと、ある温度で、表面だけでなく液体の内部からも、さかんに気体に変わり始めます。これを沸騰といいます。沸騰した水の中に見える泡は、水蒸気です。

液体 固体 気体 入れかわりながら動く 並んで振動する 飛び回る 融解 凝固 蒸発 凝縮 昇華 凝華 熱を加える 熱を奪う

実線の矢印は熱を加えたときの変化、破線の矢印は熱を奪ったときの変化です。

確認

やかんの湯が沸騰しているとき、注ぎ口の先に白く見える湯気は、気体ですか。

答え

いいえ。水蒸気は無色透明で、空気の中では見えません。白く見える湯気は、水蒸気が冷えて凝縮した、小さな水の粒(液体)です。

4融解熱と蒸発熱

状態変化の間は、加えた熱が状態を変えるのに使われるので、温度は変わりません。

鍋に氷と水を入れて、火にかけます。温度計で測ると、氷が残っている間は、ずっと 0 ℃ のままです。氷がすべてとけて水になると、水の温度が上がり始めます。

コンロの火にかけた鍋に、氷と水が入っていて、温度計が差してある様子 氷 水

氷がとけている間も、火から熱は加わっています。この熱は、並んでいる粒子どうしの結びつきを切り、固体を液体に変えるのに使われます。粒子の熱運動を激しくするのには使われないので、温度は上がりません。水が沸騰している間も同じで、加えた熱は、液体を気体に変えるのに使われ、温度は変わりません。

固体がとけて液体になる温度を融点、液体が沸騰する温度を沸点といいます。地上の空気の圧力のもとで、氷の融点は 0 ℃、水の沸点は 100 ℃ です。

融点にある 1 g の固体を、すべて液体にするのに要る熱量を融解熱といいます。単位は J/g(ジュール毎グラム)です。氷の融解熱は 3.3 × 10² J/g、つまり 330 J/g です。0 ℃ の氷 1 g を、0 ℃ の水にするには 330 J が要ります。2 g なら 330 × 2 = 660 J、10 g なら 330 × 10 = 3300 J です。要る熱量は、質量に比例します。質量 m の固体をとかす熱量は、Q = m × 融解熱 です。

沸点にある 1 g の液体を、すべて気体にするのに要る熱量を蒸発熱といいます。水の蒸発熱は 2.3 × 10³ J/g、つまり 2300 J/g です。100 ℃ の水 1 g を、100 ℃ の水蒸気にするには 2300 J が要ります。氷 1 g をとかす熱量の約 7 倍です。質量 m の液体を気体にする熱量は、Q = m × 蒸発熱 です。

融解熱と蒸発熱をまとめて潜熱といいます。温度計には表れない、隠れた熱という意味です。状態が変わるときの熱量は、次の式で求めます。

Q = m × (1 g あたりの融解熱・蒸発熱)
m は質量(g)、融解熱・蒸発熱の単位は J/g です。

下の図では、−20 ℃ の氷 100 g に熱を加えていき、水蒸気になるまでの温度の変わり方をグラフにします。氷の比熱は 2.1 J/(g·K) で、水の比熱 4.2 J/(g·K) の半分です。グラフで、温度が上がる所と、上がらない所を見分けてください。

ヒーター 水蒸気 融解 沸騰

横軸の 1.0 は 1.0 × 10⁵ J(100000 J)です。

加えた熱量 Q J 温度 ℃ ビーカーの中

やってみよう

加えた熱量 Q を 0 J にしてから、少しずつ増やしてください。温度が 0.0 ℃ のまま変わらない間に、Q はおよそ何万 J 増えましたか。

分かること

約 3 万 J です(4200 J から 37200 J までの 33000 J)。この間、ビーカーの中は「氷と水」で、氷が水に変わっています。

確認

0 ℃ の氷 100 g と、0 ℃ の水 100 g の温度は同じです。氷を水にするときに加えた熱量は、何に使われましたか。

答え

氷を水に変える(粒子どうしの結びつきを切る)のに使われました。温度を上げるのには使われていません。

例題

0 ℃ の氷 100 g を、すべて 20 ℃ の水にします。要る熱量を求めなさい。氷の融解熱は 3.3 × 10² J/g、水の比熱は 4.2 J/(g·K) とします。

  1. 「0 ℃ の氷を 0 ℃ の水にする」段階と、「0 ℃ の水を 20 ℃ の水にする」段階に分けます。
  2. 氷をとかす熱量は、Q = m × 融解熱 = 100 × 330 = 33000 J です。
  3. 水を温める熱量は、Q = mcΔT = 100 × 4.2 × (20 − 0) = 8400 J です。
  4. 合わせて、33000 + 8400 = 41400 J です。
  5. 与えられた数が 2 桁なので、答えも 2 桁に丸めて、41400 ≒ 4.1 × 10⁴ J です(10⁴ は 10000 のことです)。

答え: 約 4.1 × 10⁴ J

5熱膨張

多くの物は、温度が上がると少し大きくなります。これを熱膨張といいます。

鉄道のレールの継ぎ目には、わざとすき間が空けてあります。このすき間は、夏にはせまく、冬には広くなります。

夏と冬の鉄道のレールの継ぎ目を並べた図。夏はすき間がせまく、冬はすき間が広い すき間 夏 冬

温度が上がると、物をつくる粒子の熱運動が激しくなり、粒子どうしの間が少し広がります。そのため、物全体が少し大きくなります。これを熱膨張といいます。夏はレールの温度が上がって伸びるので、すき間がせまくなります。冬はレールが縮むので、すき間が広くなります。

すき間がないと、夏に伸びたレールどうしが押し合い、レールが曲がってしまいます。橋の継ぎ目にも、同じ理由で、すき間が空けてあります。温度計の液の柱が、温度が上がると伸びるのも、中の液体の熱膨張です。

同じだけ温度が上がっても、どれだけ膨張するかは、物質によって違います。多くの金属は、ガラスより膨張しやすい物質です。

確認

金属のふたが固くて開かないガラスびんは、ふたにお湯をかけると開けやすくなります。なぜですか。

答え

金属のふたのほうが、ガラスのびんより大きく膨張して、ふたとびんの間がゆるむからです。

練習問題

水の比熱は 4.2 J/(g·K) とします。熱は外へ逃げないものとします。

パターン1 水どうしを混ぜる

問180 ℃ の湯 300 g に、20 ℃ の水 100 g を混ぜました。混ぜた後の温度は何 ℃ ですか。

答えを見る

65 ℃

混ぜた後の温度を t とする。湯が失った熱量 = 水が得た熱量 から、300 × 4.2 × (80 − t) = 100 × 4.2 × (t − 20)。両辺を 420 で割って 3(80 − t) = t − 20。240 − 3t = t − 20 なので、4t = 260、t = 65 ℃

問270 ℃ の湯 30 g に、10 ℃ の水を何 g か加えたところ、混ぜた後の温度が 30 ℃ になりました。加えた水は何 g ですか。

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60 g

加えた水の質量を m(g)とする。湯が失った熱量は 30 × 4.2 × (70 − 30) = 5040 J。水が得た熱量は m × 4.2 × (30 − 10) = 84m(J)。熱量の保存から 84m = 5040、m = 5040 ÷ 84 = 60 g

パターン2 比熱の違う物を水に入れる

問390 ℃ に温めた質量 200 g のアルミニウムの球を、10 ℃ の水 300 g に入れました。熱平衡になったときの温度は何 ℃ ですか。アルミニウムの比熱は 0.90 J/(g·K) とします。

答えを見る

20 ℃

熱平衡の温度を t とする。アルミニウムが失った熱量は 200 × 0.90 × (90 − t) = 180 × (90 − t)、水が得た熱量は 300 × 4.2 × (t − 10) = 1260 × (t − 10)。180 × (90 − t) = 1260 × (t − 10) の両辺を 180 で割って 90 − t = 7(t − 10)。90 − t = 7t − 70 なので、8t = 160、t = 20 ℃

問4100 ℃ に温めた質量 100 g の金属の球を、15 ℃ の水 50 g に入れたところ、熱平衡になったときの温度は 30 ℃ でした。この金属の比熱を求めなさい。

答えを見る

0.45 J/(g·K)

水が得た熱量は 50 × 4.2 × (30 − 15) = 3150 J。金属の比熱を c とすると、金属が失った熱量は 100 × c × (100 − 30) = 7000c(J)。熱量の保存から 7000c = 3150、c = 3150 ÷ 7000 = 0.45 J/(g·K)

パターン3 状態変化を含む熱量

問50 ℃ の氷 200 g を、すべて 25 ℃ の水にします。要る熱量を求めなさい。氷の融解熱は 3.3 × 10² J/g とします。

答えを見る

約 8.7 × 10⁴ J

氷をとかす熱量 200 × 330 = 66000 J。0 ℃ の水を 25 ℃ にする熱量 200 × 4.2 × (25 − 0) = 21000 J。合わせて 66000 + 21000 = 87000 = 8.7 × 10⁴ J

問6−10 ℃ の氷 200 g を、すべて 100 ℃ の水蒸気にします。要る熱量を求めなさい。氷の比熱は 2.1 J/(g·K)、氷の融解熱は 3.3 × 10² J/g、水の蒸発熱は 2.3 × 10³ J/g とします。

答えを見る

約 6.1 × 10⁵ J

4つの段階に分ける。(1) −10 ℃ の氷を 0 ℃ の氷にする: 200 × 2.1 × {0 − (−10)} = 4200 J (2) 0 ℃ の氷を 0 ℃ の水にする: 200 × 330 = 66000 J (3) 0 ℃ の水を 100 ℃ の水にする: 200 × 4.2 × (100 − 0) = 84000 J (4) 100 ℃ の水を 100 ℃ の水蒸気にする: 200 × 2300 = 460000 J。合わせて 4200 + 66000 + 84000 + 460000 = 614200 ≒ 6.1 × 10⁵ J(2 桁に丸めて)

つまずきやすいところ

まとめ

要点

熱量の保存高温の物が失った熱量 = 低温の物が得た熱量
温度が変わるときの熱量Q = mcΔTm は質量(g)、c は比熱(J/(g·K))、ΔT は温度の変化(K)です。
状態が変わるときの熱量Q = m × (1 g あたりの融解熱・蒸発熱)
状態変化の間温度は一定

物理基礎 第4章 熱

  1. 熱と温度
  2. 熱量の保存と状態変化
  3. 熱と仕事

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