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熱力学の計算問題|状態方程式・第一法則・熱効率・潜熱

熱力学の問題は、どの量が止まっているかを見つけるところから始まります。止まった量が決まれば、使う式もほぼ決まる。

問題は状態方程式から気体分子運動論まで順に並べてあります。後半には図から値を読みとる問題も置きました。

使う定数は次のとおりとします。

気体定数
水の比熱
氷の比熱
氷の融解熱
アボガドロ定数

問題 1:物質量を求める

で体積 の理想気体があります。物質量を求めなさい。

解答 1

体積を に、温度を に直します。

のまま代入すると 倍ずれる。 の単位を持つ以上、体積は でそろえます。

問題 2:3 つの量が同時に変わる

の気体があります。

これを にしたときの体積を求めなさい。

解答 2

物質量が変わらないので、ボイル・シャルルの法則が使えます。

比の式なので、体積は のままで差し支えありません。左右で単位がそろっていればよい。

圧力が 倍、温度が 倍なので、合わせて 2 倍になっています。

問題 3:分子の数を求める

問題 1 の気体に含まれる分子の数を求めなさい。

解答 3

物質量にアボガドロ定数を掛けます。

でも の桁になる。1 個ずつ数える話ではないと分かります。

問題 4:水を温める熱

の水 まで温めます。要る熱を求めなさい。

解答 4

温度差は です。

は差なので、 で測っても で測っても同じ値になる。ここは直さなくてよい。

問題 5:湯と水を混ぜる

の湯 の水 を混ぜます。熱が外へ逃げないとして、落ち着く温度を求めなさい。

解答 5

湯が失った熱と水が得た熱を等しく置きます。どちらも水なので比熱は消える。

真ん中の ではありません。量の多い水のほうへ引っぱられる。

問題 6:容器の熱容量を含める

熱容量 の容器に、 の水 が入っています。ここへ の湯 を注いだときの温度を求めなさい。

解答 6

容器は水と同じ から温まるので、低温側にまとめます。

容器の熱容量に質量を掛けてはいけません。 はすでに容器全体の値です。

容器を無視して解くと になる。容器が熱を分けとったぶん、実際は低くなります。

問題 7:氷を溶かして温める

の氷 を、 の水にするまでの熱を求めなさい。

解答 7

溶かす段と温める段に分けます。

溶かすほうが大きい。 から まで温めるより、 のまま溶かすほうが熱を食います。

問題 8:加熱曲線から融解熱を読む

から一定の割合で加熱したところ、次のグラフになりました。融解熱を求めなさい。

解答 8

平らな区間が融解にあたります。 から までなので、融解に使われた熱は差になる。

はじめの は氷を から まで温めた分です。検算すると で合っています。

問題 9:必要な氷の量

の水 の氷を入れて、 にしたい。要る氷の質量を求めなさい。

解答 9

水が失う熱を先に出します。

氷は溶けたあと まで温まるので、2 段ぶんを受けとる。

溶けたあとの水が温まるぶんを忘れると、 という違う答えが出ます。

問題 10:体積を止めて加熱する

単原子分子の理想気体 を、体積を止めたまま 上げます。 を求めなさい。

解答 10

ふたが動かないので仕事はゼロです。

加えた熱がまるごと内部エネルギーになる。

問題 11:圧力を止めて加熱する

同じ気体を、今度は圧力を止めて 上げます。 を求めなさい。

解答 11

内部エネルギーは温度だけで決まるので、問題 10 と同じ値です。

仕事は から出ます。

同じ温度上昇なのに、定圧では熱が 多く要りました。そのぶんが仕事に回っている。

問題 12:温度を止める

理想気体を等温のまま膨張させ、 の熱を与えました。 を求めなさい。

解答 12

温度が変わらないので内部エネルギーは動きません。

受けとった熱がそのまま仕事として出ていく。等温変化では熱が入り続けても温度が上がりません。

問題 13:断熱で圧縮する

単原子分子の理想気体 を、熱を通さない容器で圧縮し、外から の仕事を加えました。温度変化を求めなさい。

解答 13

気体がした仕事は 、熱の出入りはゼロです。

熱を一切与えていないのに 上がりました。仕事がそのまま内部エネルギーに変わっている。

問題 14:サイクルの仕事

理想気体を次の図のように 1 周させます。1 周での正味の仕事と、正味の熱を求めなさい。

解答 14

辺ごとに仕事を出します。定積の 2 辺はどちらもゼロです。

長方形の面積として一度に出すこともできる。縦が 、横が です。

1 周して元の状態に戻るので になります。したがって正味の熱も

膨張の辺で 積み上がり、圧縮の辺で 戻されます。差の が囲む面積にあたる。

問題 15:熱効率

熱機関が高温の熱源から を受けとり、低温側へ を捨てました。熱効率を求めなさい。

解答 15

仕事は差です。

熱効率は になります。 は捨てるほかない。

問題 16:効率の上限

問題 15 の機関が の熱源のあいだで働いているとします。効率の上限を求め、問題 15 の結果と比べなさい。

解答 16

カルノー効率を計算します。

上限は です。問題 15 の はこれを下回っているので、矛盾しません。

もし という報告があれば、計算を見る前に退けられる。セルシウス温度を入れると となり、まったく違う値が出ます。

問題 17:分子の速さ

の酸素の二乗平均速度を求めなさい。酸素分子のモル質量を とします。

解答 17

モル質量を に直します。

秒速 ほどで、音速の より速い。 のまま入れると 倍ずれます。

問題 18:断熱圧縮の温度

の二原子分子の理想気体を、体積が 分の になるまで断熱圧縮します。 として、圧縮後の温度を求めなさい。

解答 18

温度と体積の式を使います。

近く上がりました。指数が ではなく である点に気をつけます。

つまずきやすいところ

計算そのものより、単位と条件の読み落としで間違えることが多い。

体積の単位

を掛ける式では にそろえます。比の式なら のままでよい。

温度の単位

が単独で出る式は絶対温度です。 だけの式なら でも同じ値になる。

容器の熱容量

の値なので質量を掛けません。低温側にそのまま足します。

溶けたあとの水

氷の問題では で終わらせず、できた水が温まるぶんを続けます。

参考文献

Ideal gas law - Wikipedia
First law of thermodynamics - Wikipedia
Carnot heat engine - Wikipedia
Specific heat capacity - Wikipedia
Latent heat - Wikipedia
Root-mean-square speed - Wikipedia
Adiabatic process - Wikipedia
Thermodynamic process - Wikipedia
どの量が止まっているかを見つければ、使う式が決まります。状態方程式から比熱、潜熱、第一法則の 4 過程、サイクル、熱効率、気体分子運動論まで、解き方の手順と単位のそろえ方を添えた解答つきで並べます。