4-3-1-3 熱の仕事当量 の復習 ■わかりやすい高校物理の部屋■
問1
ジュールの実験によると、仕事 W[J] と熱量 Q[cal] には比例関係があり、比例定数 J を用いてアと表される。この比例定数の値はイ( 4.19 ・ 42.19 ) であり、ウ( 熱の仕事当量・熱の仕事量 ) という。
ア:W = J Q イ:4.19 ウ:熱の仕事当量閉じる
ジュールの実験によると、仕事 W[J] と熱量 Q[cal] には比例関係があり、比例定数 J を用いてアと表される。この比例定数の値はイ( 4.19 ・ 42.19 ) であり、ウ( 熱の仕事当量・熱の仕事量 ) という。
ア:W = J Q イ:4.19 ウ:熱の仕事当量閉じる
1[cal] は何[J] か。また、1[J] は何[cal] か。さらに、1[J] と 1[cal] はどちらが大きいか。
解答:1[cal] = 4.19[J] 1[J] ≒ 0.239[cal] 1[cal] の方が大きい閉じる
質量 m[kg] の物体が動摩擦係数 μ' のあらい水平面上を s[m] すべったときに発生する熱量はいくらか。ただし、重力加速度の大きさを g[m/s²] とする。
なぜ車のヘッドライトが平行に配線され
質量 2.0[kg] の物体があらい面上を速さを落としながらすべった。速さが 10[m/s] から 5.0[m/s] になる間に発生した熱量はいくらか。
解答:75[J]
運動エネルギーの減少分が熱エネルギーに変わったということです。(これは摩擦力がした仕事の大きさでもあるのですが、問題文に動摩擦係数の大きさやすべった距離などが提示されていないため、摩擦力がした仕事を直接求めることはできません。あと厳密には、すべてが熱エネルギーに変わるわけではなく音エネルギーなどにも変わります。)
Q = (1/2)mv1² - (1/2)mv2²
= (1/2) * 2 * 10² - (1/2) * 2 * 5²
= 100 - 25
= 75
外燃機関の仕事はどのようにしますか?
あと、ちょっと細かい話ですが、
問3の問題文では「あらい水平面」なのに、問4では「あらい面」となっています。これはなぜかといいますと、問3においては水平かどうかによって答が変わり、問4では変わらないからです。
問3は動摩擦力によって答えを求めています。動摩擦力は垂直抗力によって変わるので、もし水平面でなく斜面だった場合、重力の掛かり具合が少なくなるので動摩擦力も小さくなります。発生する熱量も小さくなります。
しかし問4は運動エネルギーによって答を求めています。もし斜面だった場合、動摩擦力が小さくなりますがその分長い距離をすべっているはずです。とにかく水平であろうと斜面であろうと長い距離すべろうと短い距離すべろうと、スピードが 10 から 5 に落ちた、といっているわけで、ここから答を導き出すことができるので、水平面であろうが斜面であろうが答は変わりません。
た第二次世界大戦effestポリエチレン
さらにもう一つ細かい話。
上の Q = (1/2)mv1² - (1/2)mv2² という式ですが、普通物理では
(後の状態)-(最初の状態) と式を立てますが、これは
(最初の状態)-(後の状態) となっています。
これは、(エネルギーの高い状態)から(エネルギーの低い状態)を引いてその差を求めたからなのですが、なぜ順番がそうなったかというと、摩擦力がした仕事というのは物体の進行方向と逆で、(最初の状態)の方がエネルギーが高くなっているからです。もし
(後の状態)-(最初の状態) という順番にこだわるならば、マイナスを付けて
Q = - { (1/2)mv2² - (1/2)mv1² }
と書けばO.K.です。結果はもちろん一緒です。
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10[m] の高さから質量 2.0[kg] の物体を落下させたときに発生する熱量はいくらか。重力加速度の大きさを 9.8[m/s²] とする。
解答:196[J]
Q = mgh = 2.0 * 9.8 * 10 = 196
この問題は位置エネルギー(重力に逆らって物体を持ち上げたときの仕事)から求めます。
無理やり運動エネルギーから求めるとすると以下のようになります。
まず、地面に衝突する直前の速さを求めると v2² - v1² = 2as (3-1-1-3 等加速度直線運動の(3)式参照) に値を代入して
v2² - 0² = 2 * 9.8 * 10
v2 = √196
よって衝突直前の運動エネルギーは (1/2)mv2² = (1/2) * 2.0 * 196 = 196
これが直後に衝突して 0 になるわけだから(衝突して静止すれば運動エネルギーは 0 になる)、発生する熱量は
Q = 196 - 0 = 196
と求められます。
が、ご覧のように運動エネルギーから求めると手間がかかります。
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