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比熱の概念をシミュレーターを用いて解説![物理入門]

$$\newcommand\CB[1]{\textcolor{blue}{#1}} \newcommand\CR[1]{\textcolor{red}{#1}} \newcommand\CG[1]{\textcolor{magenta}{#1}}$$

前々回の記事で、熱の移動/熱平衡について説明しました。物質間で、熱の移動が発生し、温度が同じになるまで熱の移動がおきます。このときの熱の流れは必ず「高温→低温」という方向になります。

ただ、渡した熱の量に対して、どれぐらい温度が上がるかを示したのが前回説明した「熱容量」です。この熱容量を、今回は比熱という概念を用いて計算していきます!

比熱の概念をシミュレーターを用いて解説![物理入門]

同じ物質なら、熱容量は物質の重さに比例する

前回説明した熱容量について考えていきます。復習ですが、熱容量Cによって、温度⊿Tだけ変化させるのに必要な熱Qは↓のように示せます。

熱容量の定義

\( Q = C⊿T \)

  • C : 熱容量[J/T]
  • ⊿T : 温度変化[K]

熱Qがどれだけ必要かは熱容量Cによって決まるわけです。さて、この熱容量Cですが、物質が同じ材料(元素)で構成されているならば、その量(重さ)に比例します。つまり上記の熱容量Cは、物体の質量mを用いて↓のように表せます。

熱容量の構成

熱容量\( C = cm \)

  • c : 比熱
  • m : 質量[kg]

この時、cは比例係数になります。この比例係数cを比熱と呼びます。つまり、比熱の定義は↓のようになります。

比熱の定義

比熱\( \displaystyle c = \frac{C}{m} \)

  • C : 熱容量[J/K]
  • m : 質量[kg]

 

POINT比熱は熱容量の、質量に対する比例係数!

シミュレーターで比熱の意味を確認しよう!

上記で説明した比熱を、シミュレーターを使って理解しましょう!

シミュレーションの説明
  • 100度の高温の物体と、0度の低温の物体があります
  • スライドバーで2つの物質の比熱(\(c_高,c_低\))と質量(\(m_高,m_低\))を変更出来ます
  • 結合/分離ボタンを押すと、右側の低温物体をくっつけたり離したりできます
  • 結合により熱の移動が起き、↑で説明した熱平衡温度になることを確認しましょう
  • 物体の温度表示として、「赤/青のグラデーション色で示すモード」「分子の動きで表示するモード」の2つを切り替えられます
  • リセットで状態を初期化し、最初から実験できます

↓2つの物質のパラメタを変えて、熱平衡となる温度を確認しましょう!

\(m_高\)
10
\(m_低\)
10

\(c_高\)
10
\(c_低\)
10

温度表示色表示  分子表示 



再生速度
1.0
↑動的に再生速度を変えられます。左端で0にすると、一時停止となります。

POINT同じ質量でも、比熱によっ温度の変わりやすさが違う!

まとめ:比熱を使うと、熱容量を質量を用いて表せる!

最後にまとめです。物質の温度の上がりやすさは、物質の「大きさ」「性質」によって決まり、それを熱容量Cと呼んでいました。

この熱容量Cは物質の質量mに比例します。この関係性を表すのが今回説明した比熱cになります。この関係性を理解しておきましょう!
 

熱容量の構成

\( C = cm \)

  • C : 熱容量[J/K]
  • c : 比熱
  • m : 質量[kg]

 

「比熱」まとめ

  • 比熱は熱容量の、質量に対する比例係数
  • 比熱によって、1グラムあたりの温度の上がりやすさが分かる

 

[関連記事] 物理入門: 熱・温度
4.比熱(本記事)


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