熱容量と比熱の違いと関係は?【1gあたりか任意の質量あたりか】

熱力学
スポンサーリンク
taniten
taniten

今回は熱容量比熱について解説していくよ!

授業でやったけど、イマイチ違いが分からなかったんだよね・・・。

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

混同して覚えがちな所だから、違いをしっかり確認しておこう!

スポンサーリンク

熱量はものを温めるために必要なエネルギー

物質を温めるときの熱

突然ですが、みなさん冷凍ピラフを想像してみてください。

僕はエビピラフが好きです。

冷凍ピラフは冷凍されているので、そのまま食べるわけにはいきませんね。
レンジでチンして温める必要があります。

taniten
taniten

僕は1人暮らしの学生だから冷凍ピラフにはとてもお世話になってます。

この時冷凍ピラフをお皿に移すのですが、お皿に乗せて温める量によって、レンジの加熱時間が異なるのをご存知ですか?

例えば半袋の量なら5分でよかったのが、1袋まるまる温めるとなると6分半必要になったりします。

これはなぜかというと、ピラフの量によって食べられるようになるまでに必要な熱の量が変わるからなのです。

たまに中の方のお米が冷凍のままだったりするけどね・・・。

ふうた君
ふうた君

熱量の定義

このように、物を温めるために必要となる熱の量のことを、熱量といいます。

先ほども述べた通り、同じ温度にしようとしてもピラフの量が違えば必要な熱量も違ってくるので、熱量は温める物質の質量に比例することになります。

したがって、質量\(m\)の物質の温度を\(\Delta t\)だけ温度変化させるときに必要な熱量\(Q\)は、
$$Q=mc\Delta t$$
と表されます。単位はエネルギーと同じジュール[J]です。

ここで出てくる\(c\)というのが、比熱です。

次の章で比熱について詳しく解説していきます。

比熱と熱容量

比熱の定義

比熱\(c\)は、物質の温まりやすさのことを意味しています。

例えば木材よりも金属の方が温まりやすいですよね。
物質はそれぞれ固有の温まりやすさ、比熱を持っているのです。

比熱の定義は、「物質1gの温度を1Kだけ上昇させるのに必要な熱量」です。
つまり単位は[J/(g・K)]もしくは[J/(g・℃)]となります。

℃とKは基準が違うだけで、温度の目盛幅は同じなんだったね!

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

セルシウス温度と絶対温度の違いについては以下の記事も参考にしてください。

周りの温度によって比熱の値は若干変化しますが、大気圧下での水の比熱は4.19[J/(g・K)]、鉄の比熱は0.44[J/(g・K)]くらいです。

この値を見ると、水の比熱は鉄の比熱よりもおよそ10倍ほど大きいことがわかります。

熱量の式\(Q=mc\Delta t\)から、同じ質量の水と鉄を同じ温度変化をさせようとしても、鉄よりも水の方が10倍多くの熱量が必要であることがわかりますね。

熱容量の定義

では今回の記事のタイトルにもある「熱容量」とは一体なんでしょうか?

熱容量は熱量の式\(Q=mc\Delta t\)における質量と比熱の積\(mc\)をひとまとめにしたもので、\(C=mc\)と表されます。

taniten
taniten

比熱は小文字の\(c\)、熱容量は大文字の\(C\)だよ。
間違えないようにしよう。

比熱に質量が掛かっているので、熱容量\(C\)の単位は[J/K]となります。

熱容量の定義を言葉で表すと、「質量\(m\)の物質の温度を1Kだけ上昇させるのに必要な熱量」となります。

比熱と熱容量の違い

比熱は物質1gあたり熱容量は任意の物質\(m\)gあたりの温度を1K上げるために必要な熱量ということになります。

「比熱だけあれば十分じゃね?」
と思う方もいるかもしれませんが、意外とそうでもないのです。

例えば数kg、数トン単位の大量の物質を温度\(\Delta t\)だけ温度上昇させるときの熱量を計算するとき、物質1gあたりで表記される比熱を使うと、逆にわかりづらくなってしまいます。

また、既に物質の質量が決まっている場合には、質量と比熱を初めからまとめて熱容量という定数とみなしてやることで、わかりやすくなるのです。

その場その場で比熱と熱容量を使い分けて使用していくのです。

taniten
taniten

僕は高校の時、熱容量を答える問題なのに比熱を答えてペケだったことがあるよ。

問題文をしっかり読んで、熱容量と比熱のどちらを使うのか確認しないといけないね。

ふうた君
ふうた君

まとめ

質量\(m\)、比熱\(c\)の物質の温度を\(\delta t\)だけ温度変化させるときに必要な熱量\(Q\)は、
$$Q=mc\Delta t=C\Delta t$$
である。
熱量の単位はエネルギーと同じジュール[J]である。
ここで、

比熱\(c\)[J/(g・K)]・・・「物質1gの温度を1Kだけ上昇させるのに必要な熱量」
熱容量\(C=mc\)[J/K]・・・「物質\(m\)gの温度を1Kだけ上昇させるのに必要な熱量」

である。
taniten
taniten

熱量の式は高校の熱力学で重要な式だから、しっかり覚えておこう!

今日もあしっかり復習するぞ〜!

ふうた君
ふうた君

コメント

タイトルとURLをコピーしました