教科書(物理基礎) 演習問題3:ジュール熱

解法

直感的理解

電熱線で水を加熱する問題です。ジュール熱がすべて水の温度上昇に使われるとして計算します。スライダーで電圧を変え、温度上昇を確認しましょう。

電圧 100 V、抵抗 25 Ω の電熱線で 200 g の水を 300 s(5 分)加熱。ジュール熱 120000 J で温度上昇 14.3 ℃ です。

$$ Q = \frac{V^2}{R} \times t = \frac{100^2}{25} \times 300 = 400 \times 300 = 1.2 \times 10^5\,\text{J} $$ $$ Q = mc\Delta T \quad \therefore\; \Delta T = \frac{Q}{mc} $$ $$ \Delta T = \frac{1.2 \times 10^5}{200 \times 4.2} = \frac{120000}{840} = 14.3\,\text{℃} $$
答え:ΔT = 14.3 ℃。ジュール熱 Q = V²t/R = 1.2×10⁵ J が水の温度上昇に使われる。
補足:加熱時間と温度上昇の関係

温度上昇 \(\Delta T\) は加熱時間 \(t\) に比例します。5 分で 14.3 ℃ なら、10 分で 28.6 ℃ です。ただし水が沸騰(100 ℃)すると、その後は温度が上がらず蒸発に使われます。

Point

ジュール熱は Q = I²Rt = V²t/R = IVt。単位を J に統一して計算します。実際は容器への熱損失があるため、測定値は計算値より小さくなります。