教科書(物理基礎) 類題1:熱量の保存

解法

直感的理解
熱量の保存を使って熱平衡温度を求める典型問題です。例題1と同じ「高温が失った熱量 = 低温が得た熱量」の式を立てます。熱平衡温度は単純な温度の平均ではなく、熱容量で重み付けした平均になります。

アルミ(150 g、比熱 0.90 J/(g·K)、初期温度 80℃)を 水(100 g、比熱 4.2 J/(g·K)、初期温度 20℃)に入れた場合を考えます。

熱量の保存より:

$$ m_1 c_1 (T_1 - t) = m_2 c_2 (t - T_2) $$ $$ 150 \times 0.90 \times (80 - t) = 100 \times 4.2 \times (t - 20) $$ $$ 135(80 - t) = 420(t - 20) $$ $$ 10800 - 135t = 420t - 8400 $$ $$ 19200 = 555t $$ $$ t = \frac{19200}{555} \fallingdotseq 34.6\,\text{℃} $$
答え:
重み付き平均の公式で直接求めると: $$ t = \frac{m_1 c_1 T_1 + m_2 c_2 T_2}{m_1 c_1 + m_2 c_2} = \frac{135 \times 80 + 420 \times 20}{135 + 420} = \frac{19200}{555} \fallingdotseq 34.6\,\text{℃} $$
補足:なぜ水の温度に近いのか

アルミの熱容量は \(C_1 = 150 \times 0.90 = 135\,\text{J/K}\)、水の熱容量は \(C_2 = 100 \times 4.2 = 420\,\text{J/K}\) です。

水の熱容量はアルミの約 3.1 倍もあるため、熱平衡温度は水の初期温度(20℃)に近い 34.6℃になります。

直感的には「熱容量の大きい方が温度変化しにくく、相手を自分の温度に引き寄せる」と理解できます。

Point

熱平衡温度は単純な平均ではありません。\(t = \frac{80+20}{2} = 50\)℃ではなく、熱容量で重み付けした平均です。水の熱容量がアルミの 3 倍以上あるため、水の温度寄りになります。