この実験について
コーヒーカップ熱量計に固体を加え、温度上昇と温度低下を比較します。この装置では、温度そのものを熱として扱うのではなく、溶解の進行と測定温度を連動させます。かき混ぜ方、カップの熱容量、熱交換を変えて、温度計の遅れた測定値では断熱温度変化を捉えられないことがある理由を確認します。
学習目標
- 発熱溶解と吸熱溶解を区別します。
- 溶液と熱量計の両方に蓄えられた熱を計算します。
- 温度の時間変化を測定する際、室内との熱交換を考慮してください。
使い方
- 1無水塩化カルシウムを加え、初期の昇温曲線を記録してください。
- 2塩化アンモニウムを使って同じ操作を繰り返し、温度変化の符号を比較してください。
- 3室内との熱移動をゼロに設定し、最終温度を断熱条件での予測値と比較してください。
- 4熱交換を増やして測定時間を延ばし、溶解が完了した後も温度が室温に近づいていく理由を説明してください。
モデル
前提条件
- 丸めた一定の溶解エンタルピーは、無水 CaCl₂ が -81.3 kJ/mol、NH₄Cl が +14.8 kJ/mol で、モル質量はそれぞれ 110.98 g/mol、53.49 g/mol です。水和物と濃度依存性は考慮しません。
- 混合物全体の比熱は 4.18 J/(g·K) とし、選択したカップの熱容量を加算します。液体とカップは一様な温度を共有し、室温から測定を開始します。
- 溶解した割合は 1 − exp(-kt) で、k = 0.025 ×（1 + 撹拌設定）/秒です。ニュートンの熱交換モデルでは、選択した熱コンダクタンスを使用します。連成した温度の解は解析的に求められ、熱移動の符号はそのまま保持されます。
授業で試してみましょう
- Q1水の量が異なる場合、温度変化だけでは熱量を比較するのに不十分なのはなぜですか？
- Q2吸熱過程で、室内へ移動する熱量が負になることがあるのはなぜですか？
よくある質問
同じ塩でも、水の量が異なると温度変化が異なるのはなぜですか？
放出または吸収された熱は、異なる合計熱容量に分配されます。
室内への熱移動が負になることがあるのはなぜですか？
吸熱溶解によってカップの温度が室温より低くなると、室内からカップへ熱が供給されます。そのため、カップから出ていく熱量は符号付きで負になります。