- 科目
- 熱力学
- 章
- 状態変化
- 図番
- 03 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
同じ 80 K 上げるのに、熱は 1.4倍いる等容変化と等圧変化(比熱 cv と cp)
空気 1 kg を 80 K 温めるのに、閉じた缶(等容)では 57.4 kJ、ピストンを押しのけながら(等圧)では 80.4 kJ(1.4倍)いる。差の 23.0 kJ は、ふくらんで周りを押しのける仕事。ドライヤーの中を流れる空気は等圧で温まる。

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この単元のポイント
- 空気 1 kg を 80 K 温めるのに、閉じた缶(等容)では 57.4 kJ、ピストンを押しのけながら(等圧)では 80.4 kJ。等圧のほうが 1.4倍 の熱がいる。
- 差の 23.0 kJ は、空気がふくらんで周りを押しのける仕事。圧力 × 体積の増えで、 と同じ。
- ドライヤーの中を流れる空気は、等圧で温まる。1200 W で毎秒 0.02 kg(1分に約 1 m³)を通すと、空気は約 60 K 上がる。
同じ 80 K 上げるのに、熱の量が違う?
ドライヤーは、吸い込んだ部屋の空気を、中の電熱線で温めて吹き出します。温まった空気は、前にある空気を押しのけながら進みます。
同じ空気を、ふたを閉めた缶に入れて温めることもできます。缶はふくらまないので、空気は周りを押しのけません。
空気 1 kg を 20℃ から 100℃ に、80 K 上げます。閉じた缶なら、要る熱は 57.4 kJ です。ピストンが自由に動ける筒で、圧力を変えずに温めると、熱はいくら要るでしょうか。
予想してから読む空気 1 kg を 80 K 上げる熱。閉じた缶では 57.4 kJ。ピストンが動ける筒(圧力一定)では?
公式はこれ
体積を変えずに温める変化を等容変化、圧力を変えずに温める変化を等圧変化といいます。1 kg を 1 K 上げる熱を比熱といい、体積一定のときを定容比熱 、圧力一定のときを定圧比熱 とよびます。
| 記号 | 意味 | この単元の空気で |
|---|---|---|
| 空気の質量 | 1 kg | |
| 温める温度差 | 80 K(20℃ → 100℃) | |
| 定容比熱 | 約 718 J/(kg·K) | |
| 定圧比熱 | 約 1005 J/(kg·K) |
閉じた缶では 、ピストンが動く筒では です。比は で、これを比熱比 とよびます。
温度差は、℃ でも K でも同じ数です。20℃ から 100℃ は、80 K の差です。
家計簿で読む
熱と仕事(第一法則) の単元で、エネルギーの勘定を家計簿にたとえました。
家計簿(この科目を通す決まり)
エネルギーは消えも生まれもしない。入ってきた分 = 中にためた分 + 外へ出した分。
ここで入ってくるのは、熱です。中にためる分は、温度を上げる分(内部エネルギーの増え )。外へ出す分は、周りを押しのける仕事 です。
閉じた缶では、空気は周りを押しのけません。仕事は 0 なので、入れた 57.4 kJ が全部、温度を上げる分になります。
ピストンが動く筒でも、温度を 80 K 上げる分は同じ 57.4 kJ です。空気の内部エネルギーは、温度だけで決まるからです。そのうえ、ふくらんでピストンを押しのける 23.0 kJ を払います。合わせて 80.4 kJ です。
差の 23.0 kJ は、押しのける仕事
等圧で温めると、空気はふくらみます。1 kg の空気(20℃・101 kPa)は 833 L で、100℃ では 1060 L になります。227 L ふくらみました。
ピストンを一定の圧力で押しながら動かした仕事は、圧力 × 体積の増えです。
この仕事は、図でも読めます。圧力と体積の変わり方を描いた図を、P-V 線図と呼びます。
P-V 線図の読み方
横が体積、縦が圧力。図の上の1点が、そのときの気体の状態です。
右へ動く = ふくらむ。上へ動く = 圧力が上がる。閉じた缶は体積が変わらないので、まっすぐ上へ。押しのける筒は圧力が変わらないので、まっすぐ右へ動きます。
線の下の面積 = 仕事。圧力 × 体積の増えは、高さ × 幅、つまり長方形の面積です。
等圧の横の線の下の長方形の面積が、この仕事です。閉じた缶の線は縦にまっすぐ上がるだけで、下に面積がありません。
状態式 を使うと、 と書き直せます。
この式に、圧力は入っていません。圧力を 2倍にすると、ふくらむ量が半分になって、仕事は同じです。
公式を、かたまりに分けて読む
- 温める量 空気が 2倍あれば、熱も 2倍です。
- 1 kg・1 K あたり 温度を上げる分 718 に、押しのける分 287 を足して 1005 J/(kg·K)。 は状態式に出てくる気体定数そのものです。
- 上げる温度 熱は温度差に比例します。初めが何℃かにはよりません。
比熱比 は、あとの断熱変化で、温度の上がり方を決める数として出てきます。
どの数字がいちばん効く?
初期値(空気 1 kg・20℃・101 kPa を 80 K 温める)から、1つずつ 10% 変えたときです。
| 変えるもの | 等圧の熱 | 押しのける仕事 | 体積の増え |
|---|---|---|---|
| 温度差 を10%大きく(88 K) | 88.4 kJ(+10%) | 25.3 kJ(+10%) | +10% |
| 質量 を10%大きく | 88.4 kJ(+10%) | 25.3 kJ(+10%) | +10% |
| 圧力 を10%高く | 80.4 kJ(変わらない) | 23.0 kJ(変わらない) | −9.1% |
| 初めの絶対温度を10%高く(322 K、49℃) | 80.4 kJ(変わらない) | 23.0 kJ(変わらない) | 変わらない |
熱と仕事に効くのは、質量と温度差だけです。圧力を上げると、ふくらむ量が減り、その分だけ押す力が大きくなるので、仕事は同じになります。
ドライヤーに戻る
ドライヤーの中では、空気が流れ続けています。電熱線のところで温まった空気は、前にいる空気を押しのけながら出ていきます。圧力はほとんど大気圧のままなので、等圧で温まります。要る熱は で決まります。
1200 W のドライヤーは、毎秒 1200 J の熱を出します。毎秒 0.02 kg の空気(20℃ で 1分に約 1 m³)を通すと、空気の上がる温度は、
約 60 K です。20℃ の空気が、80℃ くらいで出てきます。
製品では、たとえばパナソニックのドライヤー EH-NA0J は、消費電力 1200 W、風量 1分に 1.6 m³(強)です。この風量なら、空気は平均で約 37 K 上がる計算です。風量が多いほど、同じ電力で上がる温度は小さくなります。
流れる物が運ぶエネルギー(内部エネルギーに、押しのける分を足したもの)をエンタルピーとよびます。流れを温めるときに を使うのは、このためです。くわしくは、あとの冷凍サイクルの単元で使います。
動かしてみよう
温度差 のスライダーを動かしてください。上の閉じた缶では圧力が、下の筒ではピストンが動いて体積が増えます。下の家計簿の帯は、長さが熱の量です。等圧の帯だけ、押しのける仕事(濃い紫)の分が長くなります。
次に、圧力 を動かしてください。P-V 線図の長方形は、背が高くなって幅がせまくなります。面積(仕事)は変わりません。
線図の薄い線と面積は、初期値です。「いまの図を残して比べる」を押すと、そのときの線と面積が薄く残り、そのときの答えを基準にして、何倍になったかが出ます。
試してみよう0 / 3
- 温度差 ΔT を 2倍の 160 K にする。ピストンと線図の点 2′ が一緒に右へ動きます。2本の帯の長さと「熱の比」も見る(まだ)
- 温度差は 80 K のまま、初めの圧力 p₁ を 2倍の 202 kPa にして、押しのける仕事を見る(まだ)
- 空気を、ドライヤーが1秒に通す量の 0.02 kg にして、温度差を 60 K にする。等圧の熱の数字を見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 押しのけながら(等圧)入れる熱
- 閉じた缶(等容)で入れる熱
- 押しのける仕事(等圧)
- 熱の比(等圧 ÷ 等容)
ほかの値(4 個)
- 終わりの温度
- 等容の終わりの圧力(絶対)
- 初めの体積
- 等圧の終わりの体積
途中の計算(導出)を見る
閉じた缶(等容)で温める熱
押しのけながら(等圧)温める熱
差は、押しのける仕事(圧力 × 体積の増え)
熱の比(等圧 ÷ 等容)= 比熱比
等容の終わりの圧力(絶対温度に比例)
等圧の終わりの体積(絶対温度に比例)
つまり、ものを作るときは
流れる空気や、ふくらめる気体を温めるときは 、閉じこめた気体なら で計算する。ドライヤー・エアコン・ボイラーの空気は、どれも流れなので です。取り違えると、要る熱を 3割ほど少なく見積もります()。
同じ電力で温度を高く上げたいときは、流す量を減らす。上がる温度は、電力 ÷(流す量 × )です。
よくある勘違い
「比熱は、物ごとに1つの値」
液体や固体では、温めてもほとんどふくらまないので、比熱は1つと考えてかまいません。気体は温めると大きくふくらむので、ふくらませるかどうかで、要る熱が変わります。
| 温め方 | 空気の比熱 | 1 kg を 80 K 上げる熱 |
|---|---|---|
| 閉じこめる(等容) | ≈ 718 J/(kg·K) | 57.4 kJ |
| ふくらませる(等圧) | ≈ 1005 J/(kg·K) | 80.4 kJ |
「部屋は閉じているから、部屋の暖房は等容」
部屋には、すき間があります。温まった空気はふくらみ、すき間から少しずつ外へ出ます。部屋の圧力は大気圧のままなので、等圧です。
「ふくらむほど、押しのける仕事は大きい」
仕事は、圧力 × 体積の増えです。低い圧力で大きくふくらむのと、高い圧力で少しふくらむのは、同じ仕事になることがあります。空気を同じ温度差だけ温めるなら、圧力によらず です。
この公式が使える条件
- 気体は理想気体(空気・常温〜数百℃)。・ を一定とする(高温では少し大きくなる)
- 等容:体積が少しも変わらない(缶やボトルがふくらまない)
- 等圧:温める途中も、圧力が一定(ピストンがゆっくり動く・流れの圧力がほとんど変わらない)
- 空気が出入りしない(ドライヤーや部屋では、温める空気の同じかたまりを追いかけて考える)
- 入れた熱が全部、空気に入る(缶・筒・ドライヤーの部品が受け取る熱は入れない)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
等容:体積が変わらないので、外への仕事 は 0 です。家計簿は になります。1 kg・1 K あたりで書いたものが なので、。
等圧:家計簿は です。理想気体の内部エネルギーは温度だけで決まるので、 は等容と同じ です。
状態式を、温める前と後で書きます。圧力 は同じです。
下の式から上の式を引くと、、つまり です。家計簿に入れると、
1 kg・1 K あたりで書いたものが なので、 です(マイヤーの関係)。空気では J/(kg·K)。
比熱比:。空気では 1.4 です。等圧の熱のうち、仕事になる割合は (7分の2)で、温度差にも質量にもよりません。
例題
例題1 車の中のペットボトル
ふたを閉めた空のペットボトル(1.5 L)に、20℃・101 kPa(絶対圧)の空気が入っています。夏の車の中で、ボトルの空気が 60℃ になりました。ボトルはふくらまないとします(等容)。
(1) 中の空気の質量。(2) 空気に入った熱。(3) 中の圧力(絶対圧)。
ヒント 1 / 2
質量は状態式 から。体積は 、温度は絶対温度 293 K です。
ヒント 2 / 2
体積が変わらないので、熱は 、圧力は絶対温度に比例します。
答えと解き方を見る
閉じた缶(等容)で温める熱
等容の終わりの圧力(絶対温度に比例)
入った熱は 52 J ほど。1200 W のドライヤーなら 0.04 秒分です。空気は軽いので、温めるのに要る熱は小さくて済みます。
圧力は 13.8 kPa 上がります。ボトルが少し硬くなるのは、このためです。
例題2 部屋の空気を暖める
広さ 25 m³ の部屋の空気が 10℃・101 kPa(絶対圧)です。これを 20℃ にします。部屋にはすき間があり、温まってふくらんだ空気は外へ出るので、圧力は変わらないとします(等圧。初めに部屋にあった空気について考える)。
(1) 部屋の空気の質量。(2) 要る熱。(3) 1200 W のヒーターの熱が全部、空気に入るとして、何秒かかるか。
ヒント 1 / 2
質量は 。10℃ は 283 K です。
ヒント 2 / 2
圧力が変わらないので を使います。。
答えと解き方を見る
押しのけながら(等圧)温める熱
空気だけなら 4分ほどで済みます。実際の部屋がなかなか暖まらないのは、壁・床・家具が、空気よりずっと多くの熱を受け取るからです。
すき間をふさいで等容で暖めれば、熱は 1.4分の1 で済みますが、そのぶん部屋の圧力が上がります(10 K で約 3.6 kPa)。実際の部屋は、すき間から空気が出入りします。
例題3 重りをのせたピストン
縦の筒に、重りをのせたピストンがあり、中に 2 L・20℃ の空気が入っています。中の圧力は 101 kPa(絶対圧。大気と重りの分)で、ピストンは自由に上下できます。この空気を 100℃ まで温めます。
(1) 入れる熱。(2) ピストンが重りを持ち上げる仕事。(3) 入れた熱のうち、仕事になった割合。
ヒント 1 / 2
空気の質量は で 2.40 g。熱は 、仕事は です。
ヒント 2 / 2
割合は で、質量も温度差も消えます。
答えと解き方を見る
押しのけながら(等圧)温める熱
差は、押しのける仕事(圧力 × 体積の増え)
入れた熱のうち、仕事になるのは 28.6%(7分の2)。残りの 7分の5 は、空気の温度を上げる分にたまります。空気なら、等圧ではいつもこの割合です。
この割合は、温める量によりません。もっと仕事を取り出したいときは、熱を入れたあと、別の変化で空気をふくらませます(あとのサイクルの章で扱います)。