熱容量(ねつようりょう)・比熱(ひねつ)と熱量(ねつりょう)の保存(ほぞん)

物体(ぶったい)の温度(おんど)を1K（1℃）上(あ)げるのに必要(ひつよう)な熱量(ねつりょう)を熱容量(ねつようりょう)$C$〔J/K〕という。熱容量(ねつようりょう)$C$の物体(ぶったい)の温度(おんど)を$\Delta T$だけ変化(へんか)させるのに必要(ひつよう)な熱量(ねつりょう)は$Q=C\Delta T$である。

物質(ぶっしつ)1gの温度(おんど)を1K上(あ)げるのに必要(ひつよう)な熱量(ねつりょう)を比熱(ひねつ)（比(ひ)熱容量(ねつようりょう)）$c$〔J/(g・K)〕という。質量(しつりょう)$m$〔g〕の物体(ぶったい)の熱容量(ねつようりょう)は$C=mc$なので、必要(ひつよう)な熱量(ねつりょう)は$Q=mc\Delta T$となる。水(みず)の比熱(ひねつ)は約(やく)4.2J/(g・K)である。

外部(がいぶ)と熱(ねつ)のやりとりがない（断熱(だんねつ)された）容器(ようき)の中(なか)で、高温(こうおん)の物体(ぶったい)と低温(ていおん)の物体(ぶったい)を接触(せっしょく)させると、高温(こうおん)の物体(ぶったい)が失(うしな)った熱量(ねつりょう)と低温(ていおん)の物体(ぶったい)が得(え)た熱量(ねつりょう)は等(ひと)しくなる。これを熱量(ねつりょう)の保存(ほぞん)という。

水熱量(みずねつりょう)計(けい)は、水(みず)の中(なか)に温(あたた)めた物体(ぶったい)を入(い)れ、熱量(ねつりょう)の保存(ほぞん)から物体(ぶったい)の比熱(ひねつ)を求(もと)める器具(きぐ)だ。水(みず)の比熱(ひねつ)は正確(せいかく)に分(わ)かっているので、水(みず)の質量(しつりょう)と温度(おんど)変化(へんか)から得(え)た熱量(ねつりょう)が分(わ)かり、そこから物体(ぶったい)の比熱(ひねつ)を計算(けいさん)できる。

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例題(れいだい)1：質量(しつりょう)200gの水(みず)を20℃から80℃に温(あたた)めるのに必要(ひつよう)な熱量(ねつりょう)は何(なん)Jか。水(みず)の比熱(ひねつ)を4.2J/(g・K)とすると、$Q=200\times4.2\times(80-20)=$50400J。

例題(れいだい)2：80℃に温(あたた)めた質量(しつりょう)50gの金属球(きんぞくきゅう)を、20℃の水(みず)100gに入(い)れてよくかき混(ま)ぜると、全体(ぜんたい)は24℃になった。水(みず)が得(え)た熱量(ねつりょう)は$100\times4.2\times(24-20)=$1680J。熱量(ねつりょう)の保存(ほぞん)より、金属(きんぞく)が失(うしな)った熱量(ねつりょう)も1680Jである。

例題(れいだい)3：金属球(きんぞくきゅう)の比熱(ひねつ)を$c$とすると、金属(きんぞく)が失(うしな)った熱量(ねつりょう)は$50\times c\times(80-24)=2800c$。これが1680Jと等(ひと)しいので、$c=1680\div2800=$0.60J/(g・K)。

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水(みず)の比熱(ひねつ)4.2J/(g・K)は、多(おお)くの金属(きんぞく)（0.1〜0.9J/(g・K)程度(ていど)）よりずっと大(おお)きい。同(おな)じ質量(しつりょう)・同(おな)じ熱量(ねつりょう)なら、比熱(ひねつ)の大(おお)きい水(みず)ほど温度(おんど)の変化(へんか)$\Delta T=Q\div(mc)$は小(ちい)さい。

この性質(せいしつ)のため、水(みず)は温(あたた)まりにくく冷(さ)めにくい。海(うみ)に近(ちか)い地域(ちいき)の気候(きこう)が内陸(ないりく)より温和(おんわ)になりやすいのも、比熱(ひねつ)の大(おお)きい海水(かいすい)が温度(おんど)変化(へんか)をゆるやかにするためだ。

水熱量(みずねつりょう)計(けい)を使(つか)えば、鉄(てつ)・アルミニウム・銅(どう)など何種類(なんしゅるい)かの金属(きんぞく)で同(おな)じ実験(じっけん)をして、比熱(ひねつ)の大小(だいしょう)を比(くら)べられる。なかなか冷(さ)めない水(みず)と、すぐ冷(さ)める金属(きんぞく)の違(ちが)いは、比熱(ひねつ)の大(おお)きさの違(ちが)いとしてとらえられる。