熱物理学
熱量と比熱容量
一定の電力で水を加熱し、温度上昇の傾きが質量・加熱電力・比熱にどう依存するかを測って熱量の法則 を確かめます。
器具
- 仮想水槽とヒーター（一定電力入力）
- スライダー「質量」「電力」「比熱」
- 温度対時間グラフ
- 「時間リセット」ボタン
手順
加熱の傾きを測る
既定の質量・電力・比熱でヒーターを動かし、温度–時間グラフの傾きを読みます。電力 P が一定なら温度は線形に上がり、 です。期待される傾きを計算して比較しましょう。
質量を変える
「時間リセット」を押し、質量スライダーを 2 倍にして再実行します。傾きは半分になります — 2 倍の水は 1 度あたり 2 倍のエネルギーが必要だからです。二つの傾きを記録し、比が と一致するか確認します。
電力と物質を変える
リセットして加熱電力を 2 倍にすると傾きも 2 倍です。次に比熱スライダーを下げ、水の代わりに油や金属を温める場合を想定し、曲線の応答を予測してから確認します。m、P、c のどれが加熱を速め・遅めるかまとめましょう。
シミュレーション
実験の歴史
熱量測定はジョゼフ・ブラックに始まります。1760年頃、彼は熱と温度を区別し、物質の「熱容量」を測り、途中で潜熱も発見しました。グラスゴー時代のこの研究が定量的熱科学を切り開き、後にラボアジエとラプラスの氷熱量計（1780年代）で精緻化されました。
ジェームズ・プレスコット・ジュールは熱を力学と結びつけました。1840年代の羽根車実験は、一定の力学的仕事が常に同じ温度上昇を生むことを示し、熱の仕事当量を約 4.2 J/cal と定めました。この等価性が を単なる経験式からエネルギー保存則の表現へ変えました。