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『高校生のための物理学』3.2.5..気体の比熱

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定圧モル比熱より定積モル比熱の方が小さいので,同じ熱量を与えたときは定圧変化より定積変化の方が温度が上昇します.やかんでお湯を沸かすとき,やかん上部の空気も同時に温めます.蓋をした方が早く沸騰する理由を考えてみてください. 詳細は「『高校生のための物理学』3.2.5..気体の比熱」を参照してください.

『高校生のための物理学』3.2.4.気体の状態変化と内部エネルギー

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気体の状態変化は.p-V図,及びV-T図においてどのような曲線(直線)として表されるかを理解しましょう.また,p-V図において曲線のある区間と横軸に囲まれた部分の面積は ,ある区間での気体がした(された)仕事を表しています.ピストンに封入された気体が,外部の気体を押しながら膨張する様子を想像してください.なお,ピストン外部が真空であるときは,封入された気体は膨張しても仕事はしません.注意してください. 詳細は「『高校生のための物理学』3.2.4.気体の状態変化と内部エネルギー」を参照してください.

『高校生のための物理学』3.2.3.気体の状態方程式

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標準状態($273 \rm K$,$1.01 \times 10^5 \rm {N/m^2}$ )における$1 \rm {mol}$の気体の体積は$2.24 \times 10^{-2}\rm m^3$です.これらの値から気体定数$R=8.31 \rm {J/mol\cdot K}$が求まります.気体定数の単位は,気体$ 1\rm {mol}$の温度を$1 \rm K$上昇させるのに必要な熱量である,モル比熱と同じあることに注目してください.なお,化学では熱量の単位$\rm J$を用いず,また体積の単位として$\rm L$を用いるので,気体定数は$R=8.31\times 10^3 \rm {Pa \cdot L /mol\cdot K}$と表されるので注意してください.  詳細は「『高校生のための物理学』3.2.3.気体の状態方程式」を参照してください.

『高校生のための物理学』3.2.2.ボイル・シャルルの法則

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シャルルの法則を定式化して発表したのはゲー・リュサックです.ゲー・リュサックの第1法則とよばれることもあります.キャベンディッシュは,シャルルより先に気体の温度と体積の関係を明らかにしていましたが,発表していませんでした. 詳細は「『高校生のための物理学』3.2.2.ボイル・シャルルの法則」を参照してください.

『高校生のための物理学』3.2.1.気体の圧力

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日本では,天気予報などに用いられる気圧の単位は,トリチェリの実験に因むmmHgからmbar(ミリバール)を経て,hPaへ変更されています.1mbar=1hPaなので大きな混乱はなかったようですが,アメリカでは現在もmbarが使用されています.アメリカで天気予報を見るときは,気圧,温度に注意してください. 詳細は「『高校生のための物理学』3.2.1.気体の圧力」を参照してください.

『高校生のための物理学』3.1.5.温度と内部エネルギー

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アメリカではファーレンハイト温度(華氏温度)という温度を用います.ファーレンハイト温度は体温を基準とした温度で,セルシウス温度を$C$[℃]とすると,ファーレンハイト温度$F$[°F] は$F=\frac{9}{5}C+32$と表されます.夏の暑い日,アメリカで温度計を見ると数字の大きさ(35℃で95°F)に驚きます.気をつけてください. 気体の内部エネルギーでも触れますが,内部エネルギーは温度に比例することは非常に重要な性質です.原子や分子がぷるぷると熱振動する様子を想像して,感覚的にも理解してください. 詳細は「『高校生のための物理学』3.1.5.温度と内部エネルギー」を参照してください.

『高校生のための物理学』3.1.4.熱振動と状態変化

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融点は氷(固体)と水(液体)が混在した状態です.したがって,0℃は氷の温度ではないので注意しましょう.3重点とよばれる温度,圧力では固体と液体,気体が混在した状態が生じます.水の三重点は温度0.01℃,圧力610.6Pa(出典:岩波理化学辞典第5版)です. 水の比熱は$4.2 \rm{J/{g \cdot K}}$ですが,氷と水蒸気の比熱は$2.1 \rm{J/{g \cdot K}}$です.氷と水蒸気の比熱は,水の比熱の半分と覚えておくと便利です.また,与えた熱量から温度変化を求めるとき,融点や沸点を超えるときは注意してください.質量$m$の氷に熱量$Q$の熱を加えて温度変化を考えるときは,$Q=mc_{ice}\Delta t_1 +mc_{water}\Delta t_2$ではなく,融解熱を$q_{melting}$として,$Q=mc_{ice}\Delta t_1 +mc_{water}\Delta t_2+mq_{melting}$として温度変化を求めます.  ドライアイス($\rm {CO_2}$)も圧力を加えると液体になります.ドライアイスを注射器のような密閉できる容器に入れて,圧力を加えるだけなので,機会があれば試してみてください. 詳細は「『高校生のための物理学』3.1.4.熱振動と状態変化」を参照してください.

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