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20℃、熱容量 160J/K の器に、80℃、160g のスープを注いでしばらく待ったところ、全体の温度は等しくなった。その温度の値はいくらか。ただし、スープは均質であり、その比熱(比熱容量)は 4.0J/(g⋅K) とする。また、蒸発の影響や、スープおよび器と外部の間の熱の出入りは無視できるものとする。

#共テ24本試物理基礎

常温くらいの器に熱いスープを注いで、器とスープの温度が等しくなるまで待った、という話ですが、これはスープから器へいくらかの熱量が移ったということです。

 

熱量 Q熱容量 C を用いて

  Q=CΔT

と表せますが(ΔT は温度の変化量)、熱容量 C は質量 m比熱 c を掛けたものなので

  Q=mcΔT

とも表せます。

 

求める温度を T とおきますと、

器が得た熱量 Q は Q=CΔTに各値を代入して

  Q=160×(T20) 変化量なので ℃ を K に変換する必要はありません

であり、スープが失った熱量 Q は Q=mcΔTに各値を代入して

  Q=160×4.0×(80T)

であり、熱量保存の法則より器が得た熱量 Q とスープが失った熱量 Q は等しいので、

  160×(T20)=160×4.0×(80T) 160を消去して

 ∴ T20=4.0×(80T) 移項して

 ∴ 5T=320+20

 ∴ T=3405=68

答えは 68℃ です。