物理
高校生

高校生の物理の問題がわかりません↓
熱容量40J/Kの熱量計に200gの水を入れ、温度を測定すると20.0℃であった。その中に73.0℃に熱した60gの金属球を入れると、全体の温度が23.0℃で一定になった。水の比熱を4.2J/(g・K)とする。
⑴この金属の比熱を有効数字2桁で求めよ。
⑵この測定後、長い時間が経過して熱が逃げ、全体の温度が22.0℃に下がった。この間に逃げた熱量を有効数字2桁で求めよ。

式も教えてくれるとありがたいです!お願いします!

回答

時間がたちましたが、教えましょうか?

ゲスト

お願いします。

たこ焼き

(1)
言葉の意味から
比熱[J/(g・K)]…1gの物質の温度を1K変化させるのに必要な熱量
熱容量[J/K]…物体の温度を1K変化させるのに必要な熱量

使う公式
比熱c[J/(g・K)]とは、1gの物質の温度を1K変化させるのに必要な熱量であるから、
m[g]の物質の温度を1K変化させるのに必要な熱量は、mcと表せる
また、比熱の意味から、m[g]の物質の温度をT[K]変化させるのに必要な熱量は、mcTと表せる
すなわち、熱量をQとすると、『Q=mcΔT』である。
また、熱容量C[J/K]とは物体の温度を1K変化させるのに必要な熱量であるから、物体の温度をT[K]変化させるのに必要な熱量Qは、『Q=CΔT』とあらわせる。
まとめると、『Q=mcΔT=CΔT (Qは熱量、mは質量、cは比熱、Cは熱容量、Tは温度』

熱量保存則がある。この法則とは、『得た熱量=失った熱量』になる、という法則である。

今回、熱量を得た、すなわち、温度が上がったのは、熱容量40J/Kの20.0℃の熱量計と20.0℃の水200gだけである。
今回、熱量を失った、すなわち、温度が下がったのは、73.0℃の金属球60gだけですよね。

では、得た熱量を公式に当てはめて計算する。
熱容量40J/Kの熱量計が得た熱量は、Q=CΔTより、40×(23.0-20.0)
20.0℃の水200gが得た熱量は、Q=mcΔTより、200×4.2×(23.0-20.0)

失った熱量を公式に当てはめて計算する。
73.0℃の金属球60gが失った熱量は、Q=mcΔTより、60×c×(73.0-23.0)

熱量保存則『得た熱量=失った熱量』より、
  40×(23.0-20.0)+200×4.2×(23.0-20.0)=60×c×(73.0-23.0)
         1.2×10^2+2.52×10^3=3.0×10^3×c
             2.64×10^3=3.0×10^3×c
                  c=0.88
              
  以上より、答えは0.88[J/(g・K)]

たこ焼き

(2)逃げた熱量=全体の温度が23.0℃の時の熱量-全体の温度が22.0℃の時の熱量
 ですよね。なので、全体の温度が23.0℃の時の熱量と全体の温度が22.0℃の時の熱量をそれ
 ぞれ求めればよい。
 
 全体(熱量計と水と金属球)の温度が23.0℃の時の熱量
  23.0℃の熱量計が持つ熱量は、Q=CΔTより、40×23.0[J]
  23.0℃の水が持つ熱量は、Q=mcΔTより、200×4.2×23.0[J]
  23.0℃の金属球が持つ熱量は、Q=mcΔTより、60×0.88×23.0[J]
  以上より、全体の温度が23.0℃の時の熱量は、40×23.0+200×4.2×23.0+60×0.88×23.0[J]
   
 全体(熱量計と水と金属球)の温度が22.0℃の時の熱量
  22.0℃の熱量計が持つ熱量は、Q=CΔTより、40×22.0[J]
  22.0℃の水が持つ熱量は、Q=mcΔTより、200×4.2×22.0[J]
  22.0℃の金属球が持つ熱量は、Q=mcΔTより、60×0.88×22.0[J]
  以上より、全体の温度が22.0℃の時の熱量は40×22.0+200×4.2×22.0+60×0.88×22.0[J]

以上より、
逃げた熱量=40×23.0+200×4.2×23.0+60×0.88×23.0-(40×22.0+200×4.2×22.0+60×0.88×22.0)
     =40×(23.0-22.0)+200×4.2×(23.0-22.0)+60×0.88×(23.0-22.0)
     =40×1.0+200×4.2×1.0+60×0.88×1.0
     =約9.3×10^2[J]

分からなければ質問してください

 

ゲスト

こんなにたくさん…!ありがとうございます!
とても助かります!

平凡

(2)の、Q=mc⊿TのTがそれぞれ23.0℃と22.0℃になるのはどうしてですか?

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