物理基礎の熱力学�E（ジュールの実験）

※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

前回は潜熱を学習しました。運動するとなぜ汗をかくのでしょうか？ 汗が蒸発するときに，汗は蒸発熱を得ます。その分，体は蒸発熱を奪われて冷える。 そのために汗をかくんです。

２．シェイクの実験

さて，ここに，水筒があります。 これはまわりに空気の層があって，熱が逃げにくく入りにくくなっています。

ア．上昇する･･･22人
イ．変化しない･･･17人

A君，いまの水温は何℃？
A君：「23.1℃です。」
OK。では，シェイクしてみましょう。

※シェイクしながら理由を聞きます。
なぜ変化しないと思うのですか？
生徒：「なんとなく。でも，熱が入りにくいなら温度は変化しない。」
なぜ上昇すると思うのですか？
生徒：「水との摩擦があるから？」
生徒：「振っていると水の分子の動きが激しくなるから。」
なるほどね。

疲れた−，誰か代わって。
じゃあB君よろしく。
･･･
そろそろいいかな？
ではA君何度ですか？
A君：「おっ，24.6℃です。」
ということで温度は上がるのです！

これはどういう意味かというと， 「外から仕事を加えると，温度は上昇する」ということです。

３．ジュールの実験

ちょっとゴチャゴチャしてきたので，整理しておきましょう。

まず，いままでやってきたことは何かというと， 「ヒーターで水や油を熱したら，温度は上昇した」ということです。 どういうことかというと，
ヒーターで熱する（熱を加える）
↓
温度が上昇する（内部エネルギーが増加する）

これを式で表すと，
U'−U＝Qin
内部エネルギーはUで，熱はQで表すことが多い。
そして，U'のダッシュは「あとの」という意味です。
つまり，「あとの内部エネルギー−はじめの内部エネルギー＝加えられた熱」ということ。

つまり，「熱は，内部エネルギーを増加させる働きがある」 とうことです。

一方，先程の実験が意味するところは， シェイクするというのは力を加えて移動させているので，仕事をしている。
シェイクする（仕事を加える）
↓
温度が上昇する（内部エネルギーが増加する）

熱と同様に，
「仕事も，内部エネルギーを増加させる働きがある」 ということです。

エネルギーや仕事の単位となっているジュールという人は， 同じような実験を精密に行いました。水の中に羽根車を入れて， その羽根車をおもりの落下によってまわす。 すると，水の温度が上昇したわけです。

その昔は，原子や分子の存在なんて分かっていなかった時代です。 温度が上がるということがどういうことかわかっていなかった。 温度が高い物は「熱素」という質量もない粒が たくさん入っていて，温度が低い物体は熱素が少ないと考えられていました。 熱い物体と冷たい物体が接触すると，熱素が移動して同じ温度になると考えていたわけです。
ちょっと脱線すると，この考えでは， 状態変化するとき温度が変化しないのは謎ですよね。 熱を加えていっている，熱素を加えているのに，温度が変化しない。 どっかに隠れていってしまっているように思えたので， 潜む熱と書いて「潜熱」と呼んだわけです。 脱線終了。
それとランフォードという人は，拳銃の弾をつくっているのを見たんです。 弾の形にするのに金属を削る。そのときどんどん摩擦熱が発生するわけです。 温度の高い物は熱素をたくさんもっているといっても無限に持っているわけではない。 でも削っていると無限に出てきているように思えたわけです。 つまり，熱素の説は違っているのではないかと考えた。 それを聞いたジュールはこの実験装置を使って， 仕事と熱の関係性を示し，熱素説を否定したのです。

つまり，むかしは熱は「熱素」という粒の量を示していた。 それは仕事やエネルギーと全く関係のない物だったわけで， だからむかしは熱は[cal]（カロリー），仕事は[J]（ジュール）という単位を使っていた。 しかし，ジュールの実験によって， 熱も仕事も内部エネルギーを上昇させる働きがあることがわかったので， 同じ単位でよい。
ジュールの精密な実験から，
1[cal]＝4.2[J]（1[cal]の熱は，4.2[J]の仕事と同じ役割がある）
であることがわかりました。これを「熱の仕事当量」といいます。

４．例題

いまの実験を仕事当量を使って考えると，
水の温度上昇は1.5℃でしたので，水が得た熱量は，
100[g]×4.2[J/gK]×1.5[K]＝630[J]＝150[cal]
ということになります。

さあC君，いい物持っているね−。 カツレツハンバーガーですか−。これはおいしいの？そうですか。 ちなみにここに，449[kcal]と書いてありますね−。 ということはどういうことだかわかる？ 約450[kcal]だとすると，いまシェイクしたことを，何回行えばいいんですか？ ただし，「キロカロリー」だからね。
450000[cal]÷150[cal]＝3000回！
ということなんです。 これ食べると結構消費するの大変だね。 まあ，実際には無駄に仕事した分が大きいので，そこまでではないけど， 運動して消費するのは大変です。 ただ，食べたカロリーの半分は生きているために使われる。 内臓を動かしたり，汗かいたり。 しかし，一番カロリーを摂取する場所ってどこだかわかる？ それは脳なんですね−。 勉強頑張ると甘い物が欲しくなるのは理にかなっているのかもね。 勉強ダイエットなんてものができるかもしれません。

では，次の問題を解いてください。

カツレツハンバーガーを消費するには450回もここまで登ってこなければいけない。 やっぱり大変ですね。

５．まとめ

中三のときに，仕事とエネルギーの関係を勉強しました。 これは力学だったよね。熱ってのは熱学の話。 昔の人も力学は力学で，熱学は熱学と分けて考えていました。 そこでジュールがしたことは，力学と熱学をつなげることだったわけです。 だからいまは「熱力学」と呼ばれるようになっている。 こうして，できるだけ少ない考え方で現象を理解できるようにするというのが， 物理学の流れです。
次回は今日の結果をまとめていきましょう。

授業を終えて。。。
・話ばかりで生徒は眠そう。
・うまくいったクラスはシェイクを楽しそうにやった！ 大道芸人ではないけど，そういう楽しさも必要だよね。
・もっと生徒に活動させたり，考えさせなければいけないし， どこに帰着するのかわからないことが原因。
・帰着するって熱力学第一法則だからなー。 気体を学習しないのに，ここが帰着点ですといっても厳しい。 この一時間の使い方を再検討しなければいけない。

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