例題28 氷の比熱

解説

直感的理解
氷は水と比熱が異なります。−20 ℃ の氷に熱を与えると、まず氷のまま温度が上がり、0 ℃ に達すると融解が始まります。この問題では 0 ℃ にするだけ(融解前)なので、加えた熱はすべて温度上昇に使われます。

解法

$-20$ ℃ の氷 100 g を $0$ ℃ まで温めるのに必要な熱量は $Q = mc\Delta T$。加えた熱量を $Q = 4.2 \times 10^3$ J とすると:

$$ Q = mc\Delta T $$ $$ 4.2 \times 10^3 = 100 \times c \times 20 $$ $$ 4.2 \times 10^3 = 2000\,c $$ $$ c = \frac{4.2 \times 10^3}{2000} = 2.1 \;\text{J/(g·K)} $$
答え: \(c = 2.1\) J/(g·K)
補足:氷と水の比熱の違い

水の比熱は 4.2 J/(g·K) ですが、氷の比熱は約 2.1 J/(g·K) と、水の半分です。同じ質量でも物質の状態によって比熱が異なることに注意しましょう。

Point

状態変化を含む場合、加えた熱 = 温度上昇分 \(mc\Delta T\) + 状態変化分 \(mL\) に分けて考える。氷の比熱は水の約半分(\(\fallingdotseq 2.1\) J/(g·K))。