熱物理学

熱量と比熱容量

温度変化の熱量は Q=mcΔT で表され、比熱容量は単位質量を温める難しさを示します。

相変化を伴わずに物体が熱を受け取ると通常温度が上がり、熱を放出すると下がります。必要な熱量は質量と物質で変わります。

熱交換

断熱系では高温物体の放出熱量は低温物体の吸収熱量に等しくなります。相変化がなければ式の通りで、最終温度は初期温度の間にあります。

クイックチェック

関係式 $Q=mc\Delta T$ は、相変化を伴わない温度変化に必要なエネルギーを示します。同じ物質・温度上昇なら質量を2倍にすると必要な熱量も2倍になり、比熱容量の大きい物質ほど多くのエネルギーを要します。そのため同じ日光の下では砂が水より速く温まり、水は多くの熱エネルギーを蓄えられます。混合問題では、まず放熱する物体と吸熱する物体を特定し、次にエネルギー収支を立てます。断熱容器の熱容量を無視できるなら、符号付き熱量の和はゼロです。実験では容器や周囲にもエネルギーが移るため、測定した最終温度は理想予測と異なることがあります。計算前に g を kg に直し、$c$ の単位を確認しましょう。

例えば、比熱 $c=900$ J kg⁻¹ K⁻¹ のアルミニウム 0.20 kg を 15 K 温めるには $Q=2700$ J が必要です。同じ温度上昇なら、比熱容量の大きい水はさらに多くのエネルギーを要します。この計算は、物質と熱損失を無視する仮定を明記すべきことを示しています。質量と温度変化だけでは不十分です。