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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

比熱とは

物質の温まりやすさや冷めにくさを表す比熱について解説します。
比熱とは、1kg の物質の温度を 1K (=1℃)上げるのに必要な熱量です。

 

例えば、先ほど解説した水1kgの場合、1K (=1℃)上げるのに必要な熱量は4186Jです。水は、温まりにくい物質です。

 

逆に温まりやすい物質である鉄1kgの場合、1K (=1℃)上げるのに必要な熱量は444Jです。鉄は水より少ない熱量で1K (=1℃)上がります。

 

 

従って、鉄の方が水に比べて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いことから経験的に理解できると思います。

 

つまり、比熱とは 「温まりやすさ」 「冷めにくさ」 を表すものです。

 

比熱の単位は [J/kg・K] となります。

 

下記に主な物質の比熱を記載します。上から比熱が高いものを並べています。

 

 

< 比熱の例 単位:[J/kgK] >

物質

比熱

4186

空気 (湿度100%)

1030

空気 (乾燥)

1005

アルミニウム

900

ガラス

677

444

385

129

ウィキペディアより

 

 

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場合、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化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。

 

20℃の水1kgに30,000Jの熱量を加えたときに、水の温度は何度になるでしょうか?

 Q = m・Cv・ΔT
 ΔT =Q/(m・Cv)
        =30,000J/(1kg・4186J/kg・K)
   =7.2 K (7.2℃)

 

 20℃ + 7.2℃ = 27.2℃

 

定容比熱 Cv  と 定圧比熱 Cp について

 

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するため容積が異なります。

 

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 となりますが、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、

 

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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