高校 · 15分
コーヒーカップ熱量計で熱を測る
熱した金属ブロックを断熱カップ内の水に入れ、q = mcΔT から金属の比熱を求める。
目的
水と金属の両方に q = mcΔT を適用し、測定した ΔT から金属の比熱を求める。
器具と試薬
断熱発泡カップ、温度計、はかり、水 50 g、湯浴で温めた Al・Cu・Pb のブロック各約 25 g。
手順
- 断熱カップに水 50 g を量り、温度 T₁ = 25.0 °C を記録する。
- 金属ブロック 25 g を湯浴で約 95 °C に温め、すばやくカップに移す。
- 静かにかき混ぜ、最高の安定温度 T₂ を読み取る。
- 他の金属でも繰り返し、ΔT を比較する。
観察すること
- 温度上昇は金属ごとに大きく異なる：同じ質量・初期温度で Al は約 7.5 K、Cu は約 3.3 K、Pb は約 1.1 K しか温めない。
- 温度計は急上昇ののちプラトーに達する。これが金属の失った熱と水の得た熱が釣り合う熱平衡である。
解説
熱損失を無視すれば q_金属 = −q_水、すなわち m_金属·c_金属·(T₂−95) = −m_水·c_水·(T₂−25)。c_金属 を解くと Al・Cu・Pb で 0.90、0.39、0.13 J g⁻¹ K⁻¹ が得られる。比熱が小さいほど同じ質量で蓄えられる熱エネルギーは少ない。実際のカップでは数%の熱が逃げるかカップに吸収されるため、測定 ΔT はやや小さくなる。
実験の歴史
ジョゼフ・ブラックは1760年頃、氷と水の熱のやり取りを追跡して比熱・潜熱の概念を導入した。ラボアジエとラプラスは1782年に初の氷熱量計を作り、生体熱や燃焼を測定した。コーヒーカップ熱量計はそれらの考えの最も簡単な教室版である。
ゆかりの化学者
関連トピック
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。