熱量保存と熱平衡

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イントロ

温度ではなく、熱量のやり取りを見る

高温の物体と低温の物体を接触させると、熱は高温側から低温側へ移動します。外へ逃げる熱を無視できるなら、失った熱量と受け取った熱量を対応させます。

定義

教科書では: 接触している物体どうしの温度が等しくなり、正味の熱移動がなくなった状態です。
言いかえると: 熱い物体と冷たい物体を一緒にすると、最初は熱が移動します。やがて同じ温度に近づくと、片方だけが熱を受け取り続ける状態ではなくなります。熱平衡は、熱の移動が止まるというより、正味の移動がなくなる状態として見ます。

公式

外部へ熱が逃げないとみなせるとき、出た熱量と入った熱量を対応させます。

熱量保存

失った熱量 = 受け取った熱量

高温側から出た熱量が、低温側へ入った熱量と等しいと考えます。

使うときのコツ

温度が等しいという意味ではなく、熱量のやり取りを等しく置くという意味です。

解くコツ

まず外へ熱が逃げない系を決め、高温側と低温側を分けます。

比較

側高温側

側低温側

側熱平衡

熱量保存では、どちらが失い、どちらが受け取るかを先に分けます。

手順

例

場面: 熱い金属が500Jの熱量を失い、その熱がすべて水に移った。
順に考えると: 外へ熱が逃げないとみなすなら、水が受け取った熱量も500Jです。実験では容器や空気へ熱が逃げることもありますが、基本問題ではそこを無視できる理想化をします。金属と水の温度が同じになることを熱平衡といい、計算では失った熱量と受け取った熱量を対応させます。
ここが結論: 水が受け取った熱量は500Jです。熱が逃げないという条件が書かれているかどうかも、式を立てる前に確認します。

注意

確認

熱量保存で等しく置くものはどれですか。

確認

熱平衡になった後の状態として適切なのはどれですか。

まとめ

次に進む

理解がつながる順で、次のトピックへそのまま進めます。

状態変化中に温度が上がりにくい理由を、潜熱と加熱曲線、Q = mL の計算から整理します。