物理基礎の熱力学�B（比熱と熱容量）

※このプランは，物理教育通信 2013 No.151「高校物理　熱の学習2012」（石井登志夫先生）を参考にしています。 ありがとうございます！

１．前回の復習

前回の最後に，400[g]の水にヒーターを入れて熱しました。 そのとき温度上昇は時間に対して比例のグラフになりました。 （実際にもう1回やる）
このヒーターは300[W]です。つまり，1秒間に300[J]のエネルギーを常に供給する。 よって，水は1秒間で300[J]の熱を受け取っているわけです。 それが一定だから比例のグラフになるのです。

２．水の量が２倍になったら？・水を油に代えたら？

ここに800[g]の水と，400[g]の水があります。

では，水の量が倍になったらどうなるでしょうか？
同じ300[W]のヒーターで温めたら，どうなるでしょう？ 400[g]の水のときのグラフを点線で書いて， それと比較してどうなるか予想してみてください。

今度は400[g]の油です。どうなるでしょう？ 先程と同じように，400[g]のときのグラフを点線で書いて， それと比較してどうなるか予想してみてください。

生徒の予想：800[g]の水

予想の理由：800[g]の水
赤：「量が多いとその分あたたまりにくくなるから。」
白：「風呂を温める時間はあまり量によって変わらないと感じた。」

生徒の予想：400[g]の油

予想の理由：400[g]の油
赤：「油の方が温まりやすいから。」
どうしてそう思う？
赤：「唐揚げとかするとき，温度が上がるから。」
（これは沸点のこと言っているのかな？）
黄：「だんだんあたたまりにくくなるから？でも違うか。」
白：「同じ300[W]なら油でも変わらない。」
でもさ，白君は800[g]の水だったら変わるって答えたよね。
白：「量によっては変わるけど，種類だと変わらないと思います。」
橙：「密度が油は小さいから温まりにくい」
なるほど，何でそう思った？
橙：「鉄は密度が大きくて温まりやすいから，密度によるのかと思った。」

では実験してみましょう。まずは800[g]の水ね。

ということで，400[g]のときとくらべて， 傾きがほぼ半分になっていることが分かるね。

次は400[g]の油です。

ということで，400[g]のときとくらべて， 傾きが約２倍になっていることが分かります。

４．熱容量と比熱

規則性があることは分かったと思います。 まず「質量が大きくなると，あたたまりにくくなる」。
ある物体が1[℃]上昇するのに必要な熱を「熱容量」といいます。 また，ある物質1[g]を1[℃]上昇させるのに必要な熱を「比熱」 といいます。

物体と物質の言葉の違いを理解できますか？
物体は400[g]の水，800[g]の水，400[g]の油，砲丸の球。
物質は水，油，鉛，鉄などです。

速度の単位は[m/s]。これは1秒あたり何[m]進むか。 熱容量というのは，1[℃]あたり何[J]必要か。 だから･･･そうだね，[J/℃]です。ただ， 前回学習したとおり，1[℃]上昇する＝1[K]上昇するなので， [J/K]です。
さらに，比熱は1[g]あたりなので， [J/gK]になります。

これは意外とわかったようだね，そうです，水の方が大きいのです。
水1[g]を1[℃]上昇させるには4.2[J]必要ですが， 油1[g]を1[℃]上昇させるには2.0[J]でいいのです。 つまり，比熱が小さい方があたたまりやすい。

そして単位からもわかるように，
熱容量[J/K]＝質量[g]×比熱[J/gK]
です。質量が多ければ，それだけ熱容量が大きくなって，その分あたためにくくなる。

５．まとめ

今日は比熱と熱容量を学習しました。 次回は計算をやってみます。よく復習しておいてください。

課題３・４の生徒の感想
・「まわりと相談して予想ができた」
・「熱の伝わりやすさと温まりやすさの違いがわからない」
・「熱の伝わりやすさと温まりやすさは少し違うとわかった」
・「はじめて知った！空気の比熱ってどれくらい？」
・「油には温度が上がりやすい成分があるのか？」
・「油は温まりやすく沸点が高いので料理に使われるのがわかった。」
・「予想が当たって嬉しかった。今度も当てたいです。」
・「どうして油は温まりやすいのだろう？」
・「なぜ水よりも油の方が熱が伝わりやすいのだろう。」
・「ヒーターがベタベタに･･･」

授業を終えて。。。
・課題３と４はあわせても良い（時間短縮のため）。
・比熱→熱容量の方が話しやすい。（ノートを変えよう）
・密度の話を取り上げすぎて，まとめにそう書いてしまう生徒がいた。
・もっとはじめに「300[W]のヒーターだから伝わっている熱は同じ」 ことを強調しなければならない。どうしても，「油の方が熱が伝わりやすい」と 生徒はまとめてしまう。強調したクラスでも，質問に 「熱の伝わりやすさと温まりやすさの違いがわからない」というコメントもある。
・水と油の熱量は同じだが，油の方が伝わりやすい。というまとめもあった。
・これは予想があたりやすいので，生徒は満足した様子。たまにはあたらないとね。
・生徒の興味は「なぜ油だと温まりやすいのか」というところにいく。 次の興味に移ることは素晴らしいこと。でもうまく答えられない。
・油の沸点は300〜360℃。

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