入力・水・容器・周囲のエネルギー収支を描こう

入力した電気エネルギーPtと、水が得た熱4.2mΔTが一致しない主な理由は、容器や周囲もエネルギーを受け取るからです。「足りない熱」は消えたのではありません。

このレッスンの役割

「発熱実験の誤差を考える」の第3段階です。前のレッスンで断熱の有無を公平に比較しました。今回は装置のどこまでを測定対象にするか明示し、入力＝水＋容器＋周囲という収支モデルでずれを説明します。次へ、ずれを数値で比べる基準を渡します。

理想化した収支は、Pt＝Qwater＋Qcontainer＋Qsurroundingsです。水だけを測定対象にすると、Qwaterは入力より小さくなります。容器や周囲まで含めれば、エネルギー全体は保存されています。

水だけを目的とする場合、容器や周囲へ移った熱を損失と呼びます。しかし容器を含む装置全体から見れば、容器の熱は装置内にあります。さらに部屋まで含めれば周囲へ出た熱も消えていません。

モデルは現実を簡単にするため、容器の比熱、温度計や電熱線の受熱、蒸発などを省略することがあります。理論値と測定値の差は、省略した経路の存在を教えます。

100 Wを60秒使うと入力は6000 Jです。200 gの水が5℃上がればQwater＝4.2×200×5＝4200 J。差1800 Jは、容器や電熱線、周囲などへ移った熱の合計候補です。

誤答「1800 Jが消えた」はエネルギー保存に反します。誤答「Pt＝Qwaterは公式なので必ず等しい」は、入力が全て水へ移るという理想条件を現実の装置へ無条件に当てています。

確認1：入力6000 J、水4200 Jなら差は？

1800 Jです。容器や周囲などへ移った熱の候補です。

確認2：「損失」はエネルギーの消滅ですか？

違います。設定した目的や系の外へ移ったエネルギーです。

確認3：Pt＝Qwaterが近づく条件は？

断熱を強くし、容器などが受け取る熱を小さくして、入力の多くを水へ移す条件です。

ずれは入力の行き先を水・容器・周囲へ分けると説明できます。次は差と割合を求め、改善前後を公平に比較します。

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。