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比熱、エンタルピ

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比熱

定義: 1kgの物体の温度を1Kあげるために必要な熱エネルギ J(ジュール)

比熱が大きいことは、暖まりにくく冷めにくいこと!。 比熱が小さいことは、暖まりやすく冷えやすいこと。

純粋に温度だけ上げるために加えた熱(熱はエネルギー)であれば単純であるが, 氷が水になるように相変化を伴うと、相変化のためのエネルギーが必要になる。 また、気体のように加熱すると簡単に膨張する物質では, 膨張仕事(仕事もエネルギー)が発生するために、膨張仕事分の仕事を加えなければならない。

科学的には「物質の状態変化が温度以外にない時の」という言葉を定義に加えれ ばよいが、 工業熱力学的には、使える考えかたを優先するので,2つの定義が出てくる。

気体の比熱

熱を加えると物質の温度が上がる。この時の物質の状態のうち圧力の変化がない (圧力一定)ときは気体では膨張する。膨張して外部にあるものを押すことになる。 これは物体の外に働く仕事である。このため

(加えた熱)=(内部エネルギ増加)+(膨張仕事)
である。 また、閉じ込めた形で熱を加えるような、体積の変化(体積一定)がないときには 膨張仕事はない。
(加えた熱)=(内部エネルギ増加)
となり、2つの比熱がある。
体積一定での比熱: 定容比熱 cv
圧力一定での比熱: 定圧比熱 cp = cv + R
単位は J/kgK である。R はガス定数である。 また、 cp= cv + Rマイヤーの関係式という。

液体や固体の比熱

液体や固体においても熱膨張はあるので、気体と同じように、 定容比熱と定圧比熱があることになるが、 体積膨張が非常に小さいために、 通常圧力の元では、膨張仕事は非常に小さくなり、 定容比熱と定圧比熱はほとんど同じになる。
そこで、液体や固体では  定容比熱 ≒ 定圧比熱  として扱う。つまり、単に「比熱」ということとしている。
例)
鉄の体積膨張率は。35 x 10-6/K であるので、1kgの鉄は、1K 温度が変化すると、 1kgあたり、1Kあたりの外にする仕事は、体積膨張分 x 圧力で計算すると、約 0.5mJ/kgK となる。鉄の温度を1K上げる熱量、つまり、比熱は0.475kJ/kgK で あるので仕事は温度変化の 1/1000 となり無視できるほど小さい。

Copyright 2006 Ken Kishimoto