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中学3年生 (14-15歳)

中3 熱エネルギーと熱平衡 わかりやすく

Thermal Energy and Thermal Equilibrium

物質をつくる粒子はいつも動いていて、温度はその粒子がどれだけ活発に動いているかを表す値です。 あたたかい水と冷たい水をふれ合わせておくと、熱が高温のほうから低温のほうへ移り、2つの水の温度が等しくなるともう移らなくなります。この状態を熱平衡といいます。 物体がやりとりした熱の量（熱量）はQ = cmΔtで求められ、熱平衡になるまでに高温の水が失った熱量と低温の水が得た熱量は等しくなります。 1つ目の図では温度によって粒子の動く速さが、2つ目の図では90 ℃と20 ℃の水が熱平衡になるまでのようすが、段階ごとに変わります。

温度と粒子の運動

🔥 熱いほど活発に動く
①すべての物質は、目に見えないほど小さな粒子でできている
②粒子は止まることなく動き続けている
③温度が高いほど粒子は速く動き、温度はこの運動の活発さを表している
④図はちがいがよく見えるように速さの差を大きくかいている。実際には、0 ℃と100 ℃の水分子の平均の速さのちがいは17 %ほどである
50°C

熱の移動と熱平衡

↔️ 熱は高温から低温へ
①あたたかい水と冷たい水をふれ合わせると
②熱が温度の高いほうから低いほうへ移り、あたたかい水は冷え、冷たい水はあたたまる
③温度差が大きいうちは熱が速く移り、差が小さくなるほどゆっくり移る
④2つの水の温度が等しくなると熱はそれ以上移らない。この状態を熱平衡という
⑤図の2つの水は質量が等しいので、90 ℃と20 ℃のちょうど中間の55 ℃で等しくなる
0段階

熱量

🌡️ 熱量とは
①物体が得たり失ったりした熱の量を熱量という
②単位はcal（カロリー）やJ（ジュール）を使う
③1 calは、水1 gの温度を1 ℃上げるのに必要な熱量である
④1 calは約4.2 Jである
熱量を求める式
Q = cmΔt
熱量 = 比熱 × 質量 × 温度変化

まとめ

熱量
Q = mcΔt
Q（熱量, cal）= c（比熱, cal/(g·℃)）× m（質量, g）× Δt（温度変化, ℃）
熱平衡の条件
Q失った熱量 = Q得た熱量
ほかへ熱が逃げなければ、高温の物体が失った熱量と低温の物体が得た熱量は等しい
単位の換算
1 cal ≈ 4.2 J
カロリーとジュールの関係
🎯 よく出るポイント
①温度は粒子の運動の活発さを表す
②熱は温度の高い物体から低い物体へ移動する
③2つの物体の温度が等しくなり、熱が移動しなくなった状態が熱平衡である
④Q = cmΔtで、比熱が大きいほど、同じ熱量を受けても温度は変わりにくい
⑤水の比熱は1 cal/(g·℃)で、ほかの物質より大きい

例題と単元テスト

例題 1
水100 gの温度を20 ℃から30 ℃に上げるには、熱量は何cal必要か。（水の比熱は1 cal/(g·℃)とする。）
1
熱量はQ = 比熱（c）× 質量（m）× 温度変化（Δt）で求める。
2
Q = 1 cal/(g·℃) × 100 g × (30 − 20) ℃ = 1000 calである。
▸ 1000 cal
同じ100 gでも、比熱が水の10分の1ほどの鉄なら、100 calほどで10 ℃上がる。比熱が大きいほど、あたためるのに多くの熱量がいる。
例題 2
あたたかい水と冷たい水をふれ合わせておいたら、しばらくして2つの水の温度が等しくなった。このとき熱はどちら向きに移動したか。また、最後の状態を何というか。
1
熱はいつも温度の高い物体から低い物体へ移動する。
2
2つの物体の温度が等しくなり、それ以上熱が移動しなくなった状態を熱平衡という。
▸ 熱はあたたかい水から冷たい水へ移動し、最後の状態は熱平衡である
上の図のように、はじめは温度が速く近づき、差が小さくなるほどゆっくり近づく。熱平衡では、あたたかい水が失った熱量と冷たい水が得た熱量が等しい。
単元テスト
熱エネルギーと熱平衡についての説明として正しいものは？
①熱は低温から高温へ自然に移動する
②温度が高いほど粒子の運動は遅くなる
③熱平衡の状態では二つの物体の温度が同じである
④熱量の単位は°Cである
⑤比熱が大きいほど温度が速く変わる
▸ ③ 熱平衡の状態では二つの物体の温度が同じである
1
熱は高温から低温へ移動し（①誤）、温度が高いほど粒子の運動は速くなる（②誤）。
2
熱量の単位はcalまたはJで（④誤）、比熱が大きいほど温度はゆっくり変わる（⑤誤）。熱平衡では二つの物体の温度が同じである（③正）。
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最終更新

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