熱力学(Thermodynamics) 物質の三態物質には固体、液体、気体の三

熱力学(Thermodynamics)
物質の三態
物質には固体、液体、気体の三つの形態(相ともいう)があり、温度が低いと固体、温度が高くなるにつれて、液体、
気体と形態が変わっていく。(これを相転移という)物質がどの形態をとるかは、物質を構成している原子(分子)の状態
で決まる。固体は原子(分子)が規則正しく並んでいてほとんど動かない状態である。液体では原子(分子)は固体に比べ
ればよく動くが、原子(分子)に働く分子間力を振り切るほど激しくはない。気体では、原子(分子)は激しく動き原子(分
子)に働く分子間力の影響はほとんどなくなってしまう。このように、物質の三態は物質を構成している原子(分子)の
運動の激しさによって決まるものである。
熱を加える
固体(固相)
液体(液相)
気体(気相)
融解
蒸発
凝固
凝縮
熱を奪う
昇華
熱とエネルギー
上の図のように、原子(分子)の動きは熱を加えると激しくなり熱を奪うと鈍くなる。原子( 分子 )の熱による運動を
熱運動という。熱運動の激しさは運動エネルギーや、運動量で知ることができる。また、熱を加えると気体は仕事
をすることができる。(蒸気機関 etc)よって、熱とはエネルギーの一種であるということができる。熱の量を熱量と
いう。熱はエネルギーであるから、熱の単位は[J]ジュールである。
潜熱
氷が水になるときや、水が水蒸気になるとき、温度変
化はない。この様に物体が状態変化をするときに温度変
化を伴わずに熱量を吸収する熱量を潜熱という。固体
から液体になるときは融解熱、液体から気体になると
きは蒸発熱、固体から気体になるときは昇華熱と呼
ばれている。
物質が融解しているときに温度変化がないのは、熱エ
ネルギーが分子間力による結合を切るために使われるか
らで、これが融解熱の正体である。物質が蒸発（沸騰）
しているときも同様の理由で温度変化がなくなる。
物質が凝縮（凝固）するときは、分子間力による結合
が生じるために、分子がもつ運動エネルギーが解放され
る。このため、物質を冷やして温度を下げようとしても、
物質から熱が出て温度を上げようとするため温度変化が
なくなる。このとき、解放されるエネルギーは、物質が
融解（蒸発）するときに必要なエネルギーと同じである。
よって、液体（固体）→気体（液体）のときに吸収する
熱量と気体（液体）→液体（固体）のときに放出される
熱量は等しい。
物質名
ｱﾝﾓﾆｱ
ｴﾀﾉｰﾙ
酸素
水銀
水
融解熱
融点
蒸発熱
[kJ/kg]
[kJ/kg]
[℃]
3265
333
－77.7
839
109
－114.5
338
13.8
－218.4
290
11.6
－38.9
334
0
2259
物質の融解熱と蒸発熱
沸点
[℃]
－33.5
78.3
－183.0
356.7
100
温度[K]
固
体
液
体
＋
固
体
液
体
気
体
＋
液
体
気
体
時間
[s]
物質の温度変化と時間
No.1
比熱と熱容量
物体の暖まり易さ（または暖まり難さ）を表す量として比熱と熱容量というものがある。
比熱
1[g]の物体の温度を 1 [℃]上昇させるのに必要な熱
物質名
比熱 [J/gK]
量。通常 c（小文字）で表される。また、1 [g]ではな
水（H2O）
4.19
く 1 [mol]あたりの比熱としてモル比熱という表し方
海水
3.93
もある。
空気（乾燥）
1.006
鉄（Fe）
4.52×10－1
J / gK
銅（Cu）
3.85×10－1
熱容量
物質の比熱
物体の温度を 1 [℃]上昇させるのに必要な熱量。通常 C （大文字）で表される。質量 m [g]、比熱 c [J/gK]の物体の
熱容量 C は
c[
C[
]
J/K
]=
mc
で表される。
熱量
物体の温度がΔT [K]変化したとき、物体が得た熱量（失った熱量）Q [J]は
Q= mcT　= CT
[J]
で与えられる。
熱量保存の法則
高温の物体と低温の物体を接触させると、高温の物体から低温の物体に熱が移動し、やがて温度が一様になったと
ころで熱の移動が終わる。このように熱の移動が終わり 2 つの物体が同じ温度になった状態を熱平衡という。
高温の物体と低温の物体を接触または混合して熱平衡状態になったとき、高温の物体が失った熱量は低温の物体が
得た熱量に等しいと言う関係が成り立つ。この関係を熱量保存の法則という。
問題
(1) 24 [℃]、100 [g]の水に 70 [℃]、10 [g]の水を加えた。水の温度は何℃になるか。
10  4.2  70  t   100  4.2  t  24
11t  310
t  28.1  28
A.28 [℃]
(2) 20 [℃]、100 [g]の水に 100 [℃]の水を加えて 40 [℃]にしたい。水は何 g 加えたらよいか。
m  4.2  100  40   100  4.2  40  20 
m  33.3 
 33
A.33 [g]
(3) 20 [℃]、100 [g]の水に 100 [℃]、100 [g]の金属を入れて熱平衡状態にしたら水の温度は 42 [℃]になった。この
金属の比熱及び熱容量はいくらか。
100  c  100  42   100  4.2  42  20 　熱容量C  mc  100  1.59
c  1.59   1.6  102
 1.6
A.c:1.6 [J/gK],C:1.6×102 [J/k]
(4) 熱容量 75.8 [cal/K](=318 [J/K])の容器に 100 [g]の水を入れて 20 [℃]で熱平衡状態にした後、100 [℃]、100 [ｇ]、
比熱 0.379 [cal/gK](=1.59 [J/gK])の金属を入れ再び熱平衡状態にした。水の温度はいくらになるか。
100 1.59  100  t   318  t  20  100  4.2  t  20 
159  100  t   738  t  20 
t  34.1
 34
A.34 [℃]

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