熱は熱力学や 日常的な気温現象を 理解するのに不可欠な 基本的な概念です科学的に熱とは,高温の物体から低温の物体へのエネルギーの移転を,熱平衡が達成されるまで指す.すべての物質は内部のエネルギーを含んでおり 熱流は物体間の温度差によって動きます
熱: 定義 と 基本 の 概念
熱は,温度差によって物体間で自発的に送られるエネルギーとして定義されます.このエネルギー移転は,すべての被験者が熱均衡に達するまで続きます. 温度が等しくなる状態です.熱を正しく理解するには,いくつかの重要な定義を明確化する必要があります.
- 温度:物質内の分子の平均運動エネルギーの測定値で,その熱度または冷度を示します.より高い温度は,より活発な分子運動に対応します.
- 内部エネルギー:物質内のすべての運動エネルギーと潜在エネルギーの合計で,その蓄積されたエネルギーの合計を表します.
- 固有熱容量:物質の単位質量の温度を1度上昇させるのに必要なエネルギー.この固有の性質は,材料が熱を吸収または放出する能力を反映する.
熱計算式と単位システム
熱を計算する主な式は:
Q = m × c × ΔT
どこに:
- Qは吸収された熱または放出された熱を表します
- m は質量
- c は特異熱容量
- ΔTは温度変化を表します
国際システム (SI) では,エネルギー (熱を含む) の標準単位はジュール (J) で,標準熱単位となります.
熱単位:SI,CGS,その他の共通システム
異なる測定システムと歴史的慣例は様々な熱単位を使用している.以下の表は一般的な熱単位とその関係を要約している.
| 物理的量 | SI単位 | CGS単位 | 他の共同単位 |
|---|---|---|---|
| 熱 | ジャウル (J) | カロリー (cal) | イギリス熱単位 (BTU) |
| 固有熱容量 | J/kg·K | カル/g·°C | BTU/lb·°F |
| 熱容量 | J/K | カル/°C | BTU/°F |
カロリー (cal) は小カロリー (cal) と大カロリー (kcal) に分かれていることに注意してください.大カロリーは,通常食品の栄養ラベルに表示され,1kcalは1000calに等しいです.
主要な単位変換関係には,以下のものがある.
- 1 カロリー (カル) = 4.184 ジャウル (J)
- 1 イギリス熱単位 (BTU) ≈ 1055.06 ジョウル (J)
- 1 ジョール (J) = 0.000239 カロリー (カル) = 0.000948 BTU
概念的な区別:熱と温度
多くの学習者は熱と温度を混同する.温度は平均分子運動エネルギーを測定する.熱は温度差のために転送されたエネルギーを表現する.例えば,100°Cで沸騰する水よりも多くの内エネルギーを含んでいます なぜなら氷山の質量は 水の質量よりもはるかに大きいからです.
熱 の 移転 の 3 つの 方法
熱は3つの基本的なメカニズムによって送られます
- 指揮:直接接触による熱伝達,主に固体.例:熱いカップを握ると熱が手に伝わります.
- コンベクション:液体 (液体またはガス) の移動によって熱の移転,暖かい空気が上昇する.ラジエータはコンベクションによって部屋を温める.
- 放射線熱伝達は電磁波を通して 地球を暖める太陽放射のようなものです この方法は介質を必要としません
温度単位変換
実用的な問題解決には,しばしば温度単位変換が必要である.一般的な変換式には以下が含まれます.
| 変換 | 公式 |
|---|---|
| 摂氏からケルビン | K = °C + 27315 |
| ケルビンからセルシアス | °C = K 27315 |
| 摂氏 から 華氏 | °F = (°C × 9/5) + 32 |
| ファレンヘイト から 摂氏 | °C = (°F−32) × 5/9 |
| フレンハイト から ケルビン | K = (°F−32) × 5/9 + 27315 |
問題解決の例
例1:
電気ケトルには1.5kgの水 (特異熱容量4180 J/kg·K) が含まれており,水を15°Cから100°Cまで熱するのに必要なエネルギーを計算します.
解決策:
- 温度変化: ΔT = (100 - 15) = 85°C = 85 K
- 熱計算: Q = m × c × ΔT = 1.5 × 4180 × 85 = 533,550 J = 533,6 kJ
例2:
20°Cから90°Cまでの0.7kgの水を熱するために必要なエネルギーを計算する (特異熱容量4200 J/kg·K).
解決策:
- 温度変化: ΔT = 90 - 20 = 70°C
- 熱計算:Q = 0.7 × 4200 × 70 = 205,800 J = 205.8 kJ
公式と単位要約
| 公式 | 物理 的 な 意味 | SI単位 |
|---|---|---|
| Q = m × c × ΔT | 吸収または放出された熱 | Q (J); m (kg); c (J/kg·K); ΔT (Kまたは °C) |
| C = Q / (m × ΔT) | 固有熱容量 | J/kg·K |
| 1 カル=4.184 J | 単位変換 | - |
熱力学 基礎
熱力学第一法則: エネルギーの保存
エネルギーは創造も破壊もできません 変換も転送もできます 閉ざされたシステムでは
ΔU = Q - W
ΔUは内部エネルギー変化,Qはシステムに加熱され,Wはシステムによって行われている作業である.
熱力学第二法則 エントロピー原理
この法則は,孤立したシステムが 最大のエントロピー (乱れ) に向いていることを述べて,不可逆のプロセスを記述しています.ある式 (クラウシウス) は,外部の働きなしでは,熱が冷たい物から熱い物へと自発的に流れることはできないと言います..
熱力学第三法則 絶対ゼロ
温度が絶対零点 (0 K) に近づくと,システムのエントロピーは最低値に近づきます.完璧な結晶は絶対零点でエントロピーはゼロに達します.この温度は理論的には達成できない.
熱 の 実用 的 な 応用
- 暖房システム:ラジエーターと床暖房は,温源から生活スペースに熱を転送する
- 冷蔵庫:冷蔵庫 や 空気 調節 装置 は,相 変化 を 使い,熱 を 吸収 し,放出 し ます
- 内燃エンジン:燃料から化学エネルギーを機械作業に変換する
- 調理:熱 は 食物 の 物理 的,化学 的 な 性質 を 変化 さ せる
- 断熱材料:サーモス 瓶 は,熱 移転 を 最小 に する ため,真空 隔熱 を 用いる
先進的な応用:熱ポンプ技術
熱ポンプは冷たい場所から暖かい場所への熱を効率的に冷却剤サイクルを用いて転送します.従来の加熱方法よりもエネルギー効率が高くなります.性能係数 (COP) が通常1を超えている.
熱測定:カロリメトリ
カロリメトリ は,隔熱 カロリメーター を 用い て 熱 の 変化 を 測定 する.反応 の 間 の 温度 の 変化 を 監視 する こと に よっ て,科学 者 たち は 熱 の 吸収 や 放出 を 計算 する.この方法は化学において広く適用されています.物理と生物学についてです
熱 研究 の 未来 の 方向性
- 先進的な熱管理のためのナノスケール熱伝送
- 精密な熱流量制御のための熱メタマテリアル
- 量子熱エンジンを探求する量子熱力学
- 生体系におけるエネルギー変換を研究する生物熱力学
