| English | 意味 |
|---|---|
| heat/hiːt/ | 熱 |
| thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ | 熱エネルギー |
| thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | 熱平衡 |
| net flow/net fləʊ/ | 正味流 |
熱いスープの中のスプーン
- 冷たいスプーンを熱いスープに入れると、スプーンは温まりスープは冷えます。両者の温度が等しくなるまで続きます。
- エネルギーは高温物体から低温物体へと移動しました。
- この一方向への流れこそが、温度という概念の核心です。
熱的平衡への経路
エネルギー移動を見守り、2つの物体が同じ温度になるまで続ける。
熱は高温から低温へ流れる
- 熱（熱エネルギー）は高い温度から低い温度へと流れます。
- 両者の温度が等しくなるまでその流れは続きます。
熱（熱エネルギー）は自然に以下のように流れる：
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エネルギーは常に温度差を下向きに、高温から低温へと流れ、等しくなるまで続く。
熱的平衡
- 二つの物体が同じ温度になったとき、それらは熱的平衡にあるといいます。
- その状態では、両者の間でエネルギーの正味の流れは生じません。
温度を色に変換するサーモカメラ：熱いフライは明るいオレンジ色に輝き、冷たい飲み物は暗いまま残る
熱的平衡では、2つの物体間の正味のエネルギー移動はない。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
温度が等しいことは正味の移動がないことを意味する—粒子は依然としてエネルギーを交換するが、全体としての移動はない。
熱的平衡にある2つの物体は同じ ____ にある。
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温度が等しいことが熱的平衡の正確な条件である。
各用語を、試験官が採点基準として示す定義と結びつけなさい。
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熱的平衡は「正味の移動」なしによって定義され、「移動」そのものがないことではない。エネルギーは両方向にまだやり取りされるが、2つの流れは単に一致しているだけである。
温度はエネルギーではない
- 温度は熱の流れの方向を決めるものであり、物体が持つエネルギーの量ではありません。
- $1000\ °\text{C}$ の小さな火花よりも、暖かいプールの方がはるかに多くのエネルギーを含んでいます。
温度は以下のことを示す：
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温度は熱の流向を決定する；エネルギーの量は質量や物質にも依存する。
火花（hot spark）は常に温かいプールより多くの熱エネルギーを含む。
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いいえ—火花は高い温度だが、巨大なプールは全体として遥かに多い熱エネルギーを持っている。
ぬるま湯のバケツは赤く光る釘より多くの内部エネルギーを含むので、より高い温度にある。
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温度はエネルギーではない。バケツは全体として遥かに多い内部エネルギーを持っているが、エネルギーは釘から水へ流れる。これこそが温度が実際に決定することである。
試験での表現
- 「熱的平衡にある二つの物体は同じ温度にあるため、両者の間の熱エネルギーの正味の移動はない。」この文の前半も後半も得点対象となります。
- エネルギーは両方向にまだやり取りされていますが、そのレートは等しいため、正味の流れはゼロです。
- 温度計は測る対象物と熱的平衡に達することで機能するため、安定するまで十分に長い時間置く必要があります。
2つの物体が熱的平衡にある。正しい記述をすべて選びよ。
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平衡とは温度が等しく、正味の流動がゼロであることを意味する。エネルギーはなお等しい速率で両方向にやり取りされ、2つの物体は非常に異なる量のエネルギーを持てる。
worked example: 熱湯と冷水の混合
断熱カップに $0.20\ \text{kg}$ の水 $80\ °\text{C}$ を $0.50\ \text{kg}$ の水 $20\ °\text{C}$ に注ぎます。最終温度 $T$ を求めよ。 $c = 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$ とする。
- 逃げるものがないので、熱い水が失ったエネルギー ＝ 冷たい水が得たエネルギーとなる。
- $0.20 \times 4200 \times (80 - T) = 0.50 \times 4200 \times (T - 20)$； $4200$ は消滅する。
- $16 - 0.20T = 0.50T - 10$ なので、 $0.70T = 26$ と $T = 37\ °\text{C}$ を代入する。
- 確認：答えは $20$ と $80$ の間にあり、水量が多い冷たい水に近いはずである。各 $\Delta T$ をそれぞれの式に正の数として書きなさい。
断熱容器内で、$0.30\ \text{kg}$の$90\ °\text{C}$の水と、$0.60\ \text{kg}$の$15\ °\text{C}$の水を混ぜた。最終温度を °C で求めよ。
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$0.30(90 - T) = 0.60(T - 15)$：$27 - 0.30T = 0.60T - 9$、つまり$0.90T = 36$と$T = 40\ °\text{C}$。
200 g の水温を 80 ℃ にし、300 g を 20 ℃ に混合する。最終温度（℃）はいくつか？
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失われたエネルギー＝得られたエネルギー：200(80 - T) = 300(T - 20)、よって T = 44°C。両方とも水なので比熱容量は相殺される。
worked example: ビーカー自体の熱量
$810\ \text{W}$ のヒーターにより、液体 $120\ \text{g}$ が $42\ \text{g}$ のガラスビーカー内で $25\ °\text{C}$ から $80\ °\text{C}$ まで $21\ \text{s}$ で加熱された。ガラスの比熱容量は $0.84\ \dfrac{\text{J}}{\text{g}\,\text{K}}$ である。液体の $c$ を求めよ。
- 供給されたエネルギー： $Q = Pt = 810 \times 21 = 17\,000\ \text{J}$ 。
- ビーカーへのエネルギー： $42 \times 0.84 \times 55 = 1940\ \text{J}$ —— 同様の $55\ \text{K}$ の温度上昇をするため。
- 液体へのエネルギー： $17\,010 - 1940 = 15\,070\ \text{J}$ 。
- 比熱容量： $c = \dfrac{15\,070}{120 \times 55} = 2.3\ \dfrac{\text{J}}{\text{g}\,\text{K}}$ 。
- **確認：**ビーカーは液体と同じ熱的平衡状態を保ち続けるため、最終的に同じ温度になります。無視すると $2.6$ という結果になり、一見妥当そうだが誤りです。
同じ温度＝同じエネルギーではない: 熱い火花と暖かいプール。平衡時における正味の流れはゼロであり、すべての流れが止まるわけではない。混合計算では、温度変化するすべての物体（容器を含む）を考慮し、両辺で温度変化量を同じ単位で用いること。
理解できましたか
- 熱は高い温度から低い温度へ流れる
- 熱的平衡: 同じ温度、熱エネルギーの正味の移動なし
- 温度は流れの方向を決め、エネルギーの量ではない；混合問題では、エネルギー損失＝エネルギー獲得、容器を含む