問1選んで答える
おもりが落ちて羽根車を回し、2100 J の仕事が全部 水 50 g の熱になった。水の温度は何 K 上がる?(水の比熱 4.2 J/(g·K))
答えと解説
正解:10 K
W = Q = 2100 J。ΔT = Q ÷ (mc) = 2100 ÷ (50 × 4.2) = 10 K。
物理基礎|熱(3)熱と仕事
この教材のために作ったオリジナル問題です。
答えを選ぶと、正解とわけが出ます。図の問題は、答えたあとに図が動いて確かめられます。
おもりが落ちて羽根車を回し、2100 J の仕事が全部 水 50 g の熱になった。水の温度は何 K 上がる?(水の比熱 4.2 J/(g·K))
正解:10 K
W = Q = 2100 J。ΔT = Q ÷ (mc) = 2100 ÷ (50 × 4.2) = 10 K。
気体に 200 J の熱を与えたところ、気体は外に 50 J の仕事をした。内部エネルギーの増加は?
正解:150 J
Q = ΔU + W より ΔU = 200 − 50 = 150 J。
熱機関が高温の熱源から 2000 J の熱を受け取り、低温の熱源に 1500 J を捨てた。熱効率は?
正解:25%
仕事 W = Q₁ − Q₂ = 2000 − 1500 = 500 J。e = 500 ÷ 2000 = 0.25 = 25%。
熱効率 40% の熱機関が 1200 J の仕事をした。高温の熱源から受け取った熱は?
正解:3000 J
Q₁ = W ÷ e = 1200 ÷ 0.40 = 3000 J(捨てた熱は 1800 J)。
「エネルギーは保存されるのに、熱を全部 仕事に変える熱機関は作れない」のはなぜか説明しよう。
エネルギーの量が保存される(第一法則)ことと、変換に向きがある(第二法則)ことは別のきまり。乱雑な粒子の運動(熱)を全部そろえて一方向の仕事にすることはできず、熱機関は受け取った熱の一部を必ず低温側に捨てる。だから熱効率は 100% にならない。
自分の答えに、次のことが入っていたかくらべてみよう