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物理の比熱のところで質問があります。
熱容量90J/Kの熱量計に水150gをいれ、温度を測ったら16.0℃であった。
その中に100℃に熱した300gの金属球をいれ、水をかきまわしたところ20.0℃になった。

この実験で誤差を小さくするには、はじめの水温は室温より、やや低め、同じ、やや高めのどれが良いか、
理由をつけて答えよ。
答えはやや低めです。
この問題がまったくわかりません。
簡単に説明できる方教えてもらえないでしょうか。

gooドクター

A 回答 (2件)

室温が少し低い目であろうが高い目であろうがあまり関係はないように思います。


むしろ金属球の温度が100℃というほうの影響の方が大きいのではないでしょうか。

熱量計と外部との熱のやり取りがあれば誤差が出ます。
#1に書かれているのは20℃の水と室温にある空気との間の熱のやり取りです。伝導で伝わる場合、室温との差が小さい方が熱の移動の速さが小さくなります。金属球を入れたあと、熱平衡になるのを待って温度を測ります。どうしても一定の時間待たなくてはいけません。室温が16℃か18℃かで熱の移動量が異なることになります。
(事前の温度差は金属球を入れる直前の温度を測ればいいので時間を短く出来ます。)
熱が逃げれば金属の比熱は小さい目に出ます。

でも熱の移動は伝導だけでしょうか。一番影響の大きいのは蒸発ではないでしょうか。16℃の水に100℃の金属球を入れます。入れた瞬間に金属球に接触している水の温度は急上昇します。そこから徐々に周囲に拡散していきます。一時的に湯気が出るところまで温度が上がればかなり影響が大きいと思うのですが。0.1gの水が蒸発すれば250Jほどの熱を失います。容器にふたがあれば影響が小さくなるとは思いますが。

もうひとつ300gの金属球のばあい場合、中心まで同じ温度になるのには結構時間がかかるのではないでしょうか。100℃の金属球の表面が20℃になったが中心部分は21℃だったとします。やはり比熱は小さく出ます。ここまでの温度コントロールは無理ではないかと思います。表面積のもっと大きい形のほうがいいだろうと思うのですが球とか円柱を使っている例が多いです。厚い目の板状のもののような表面積のもっと大きいものがいいでしょう。

100℃に加熱した金属球が使われるというのは沸騰水の中につけるという操作があるからです。加熱を続けても水温が変わらないので金属球の温度と水の温度が同じになったという判定がしやすいのです。時間をかければ熱平衡になっていると判定してもいいことになります。
でも金属球を水に入れたときは待つわけにはいきません。

有効数字1桁ぐらいの実験だと思えばあまり気にすることではないかもしれません。鉄、銅、アルミ、鉛の区別は出来ます。でも2桁の実験だとするといろんな要素を考える必要がありそうです。
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 熱量計と空気とで出入りする熱があると誤差が出るので、熱量計の温度と室温の差が少ない方がいい、と考えます。

(熱量計の温度が高いと、空気中に熱が逃げるし、逆に室温より低いと、金属球から伝わる熱以外に空気中から熱が伝わってきてしまいます。)

 熱量計には熱い金属が入ってくるので、実験中に温度が上がります。そこで、初めやや気温より低い温度にしておけば、熱い金属球が入って少し温度が上がるので、平均して気温に近い状態になる、と考えられます。
 
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