機械設計者に必要な熱力学の知識と計算能力を身につけられる！エンタルピ、エントロピ、エクセルギといった重要な概念を深く理解し、具体的なサイクルと共に設計に応用する力を養える。
比熱とは
比熱とは、1kg の物質の温度を 1K （＝1℃）上げるのに必要な熱量のことです。
例えば、水1kgの場合、1K 上げるのに必要な熱量は4186Jです。鉄1kgの場合、1K上げるのに必要な熱量は444Jです。つまり、鉄の方が水に比べて少ない熱量で温度が上がるので、「鉄は温度が上がりやすい」ということです。
これは夏場における鉄棒の温度が予想以上に高くなっていることから経験的にも理解できる事実ですね。
水の比熱は、4186［J/kg・K］、鉄の比熱は、444［J/kg・K］です。比熱の単位は ［J/kg・K］ が使われます。
以上、比熱とは 「温まりやすさ」 「冷めにくさ」 を表す物理量なのです。
下表に主な物質の比熱を記載します。上から順に比熱が高い物質を並べています。
表. 主な物質の比熱 単位：[J/kgK]
物質 |
比熱 |
|---|---|
水 |
4186 |
空気 （湿度100%） |
1030 |
空気 （乾燥） |
1005 |
アルミニウム |
900 |
ガラス |
677 |
鉄 |
444 |
銅 |
385 |
金 |
129 |
比熱は以下の式で表されます。
比熱 Cv = Q／(m×ΔT） ・・・(1)
Q ：加える熱量 J
m ：質量 kg
ΔＴ ：温度差 K （℃）
(1)の式を変形すると、
Q = m・Cv・ΔT となります。
この式から物質の質量が多いと、加えなければならない熱量が大きくなることがわかります。
また、物質の種類によっても加えなければならない熱量が変わり、その違いが比熱（Cv）となります。
Q = m・Cv・ΔT
ΔT =Q／(m・Cv)
=30,000J／(1kg・4186J／kg・K）
=7.2 K (7.2℃)
20℃ + 7.2℃ = 27.2℃
水や金属のような 液体 や 固体 は、温度によって容積が変化しませんが、気体は温度によって膨張、収縮が起こり、容積が変化します。
比熱には、定容比熱 Cv （又は定積比熱） と 定圧比熱 Cp があり、液体や固体では Cv ≒ Cp ですが、気体ではCp > Cv となります。
・Cv の v は volume（体積）の v
・Cp の p は pressure（圧力）の p
Cp > Cv となる理由
Cpは、一定の圧力で熱を受けると、膨張により外に対して仕事を行いながら温度を上昇させる比熱であり、仕事を行う分だけ大きくなります。
その差が気体定数Rとなります。
Cp - Cv = R
また、定圧比熱 Cp と 定容比熱 Cv の比Kを比熱比といいます。
比熱比 K = Cp／Cv
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