熱力学の解答付き演習

混合法による金属の比熱容量の決定

演習 4 · レッスン 2熱力学と熱量測定の歴史

  • 熱量測定
  • 混合法
  • 比熱容量
  • 熱量計
  • 水当量

問題

18世紀のジョゼフ・ブラックと同様に,混合法で未知金属の比熱容量 cmc_m を測定する。質量 m=0,150kgm=0{,}150\,\text{kg} の試料を Tm=95CT_m=95\,^\circ\text{C} まで加熱し,me=0,250kgm_e=0{,}250\,\text{kg} の水を含む熱量計に素早く入れる。水について ce=4,18×103J ⁣ ⁣kg1 ⁣ ⁣K1c_e=4{,}18\times10^3\,\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}\!\cdot\!\text{K}^{-1}Te=18CT_e=18\,^\circ\text{C} であり,平衡温度は Teq=22CT_{eq}=22\,^\circ\text{C} である。まず容器,撹拌棒,温度計の熱容量を無視する。

  1. 金属と水からなる孤立系のエネルギー保存式を,cmc_m のみを未知数として書け。
  2. cmc_m の式と数値を求めよ。どの一般的な金属に近いか。基準値の単位は J ⁣ ⁣kg1 ⁣ ⁣K1\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}\!\cdot\!\text{K}^{-1} で,アルミニウム 9,0×1029{,}0\times10^2,鉄 4,5×1024{,}5\times10^2,銅 3,9×1023{,}9\times10^2,鉛 1,3×1021{,}3\times10^2 である。
  3. 容器も熱を吸収する。この効果を水当量 μ=1,5×102kg\mu=1{,}5\times10^{-2}\,\text{kg} で表し,熱量計を追加の水質量 μ\mu とみなす。cmc_m を再計算し,補正の向きを説明せよ。
  4. 試料を素早く入れ,熱量計を周囲の空気から十分断熱する必要があるのはなぜか。

ヒント

ヒント
金属は Qm=mcm(TmTeq)Q_m=mc_m(T_m-T_{eq}) を放出し,水と,第3問では熱量計が全て受け取る:Qm=(me+μ)ce(TeqTe)Q_m=(m_e+\mu)c_e(T_{eq}-T_e)

詳しい解答

解答
1.

mcm(TmTeq)=mece(TeqTe).mc_m(T_m-T_{eq})=m_ec_e(T_{eq}-T_e).

2.

cm=mece(TeqTe)m(TmTeq)=0,250×4,18×103×(2218)0,150×(9522)3,82×102J ⁣ ⁣kg1 ⁣ ⁣K1.c_m=\frac{m_ec_e(T_{eq}-T_e)}{m(T_m-T_{eq})} =\frac{0{,}250\times4{,}18\times10^3\times(22-18)}{0{,}150\times(95-22)} \approx3{,}82\times10^2\,\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}\!\cdot\!\text{K}^{-1}.

これは銅の値に非常に近い。

3.

cm=(me+μ)ce(TeqTe)m(TmTeq)=(0,250+0,015)×4,18×103×40,150×734,05×102J ⁣ ⁣kg1 ⁣ ⁣K1.c_m=\frac{(m_e+\mu)c_e(T_{eq}-T_e)}{m(T_m-T_{eq})} =\frac{(0{,}250+0{,}015)\times4{,}18\times10^3\times4}{0{,}150\times73} \approx4{,}05\times10^2\,\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}\!\cdot\!\text{K}^{-1}.

補正により cmc_m は大きくなる。容器を無視すると金属が実際に放出した熱量を過小評価し,その比熱容量も過小評価するからである。

4. この方法は測定中ずっと系が孤立していることを前提とする。素早い投入は試料が水に達する前の空気との熱交換を抑え,良い断熱は平衡に達する間の損失を抑える。未計上の伝熱は収支と cmc_m を誤らせる。これはブラック,さらに氷熱量計を用いたラヴォアジエとラプラスが重視した実験上の注意である。