熱の定量化

熱エネルギー

微視的に見ると、熱エネルギーは原子や分子のランダムな動きに関連する運動エネルギーです。 温度とは、熱エネルギーの量に応じて、「熱い」か「冷たい」かを定量的に表すものです。 物体の原子や分子がすばやく動いたり振動したりしている場合、それらの原子や分子は平均運動エネルギー（ KE ）が高く（または熱エネルギーが高い）、物体は「熱い」と認識されるか、高温と呼ばれます。 原子や分子がゆっくりと動いているときは、平均 KE が低く（または熱エネルギーが低く）、物体が「冷たい」と認識されるか、低温になっていると言われます。

化学反応や相変化（融解や気化など）が発生しないと仮定すると、物質試料中の熱エネルギー量を増やすと温度が上昇し、物質試料中の熱エネルギー量を減らすと温度が低下します。

熱

熱（ q ）とは、温度の異なる2つの体の間で熱エネルギーが移動することです。 熱の流れは、一方の物体の熱エネルギーを増加させ、他方の物体の熱エネルギーを減少させます。 熱は高温から低温に向かって自然に流れ（ 1 方向のみ）、 2 つの物質が同じ温度になるまで継続します。 熱の変化は温度の変化によって測定されます。

熱、仕事、エネルギーの SI 単位はジュールです。 ジュール（ J ）は、 1 ニュートンの力が物体 1 メートルを移動するときに使用されるエネルギー量として定義されます。 これは、英国の物理学者ジェームズ・プレスコット・ジュールを記念して命名されています。 1 ジュールは 1 kg m²/s² に相当し、 1 ニュートンメートルとも呼ばれます。 1 キロジュール（ kJ ）は 1000 ジュールです。 定義を標準化するために、 1 カロリーは 4.184 ジュールに設定されています。

熱エネルギー伝達

物質の体の熱容量（ C ）は、1 ° C （または同等の 1 ケルビン）の温度変化（ Δ T ）が発生したときに吸収または放出される熱量（ q ）です。

熱容量は、熱を吸収または放出する物質の種類と量によって決まります。 そのため、熱容量は示量性であり、その値は物質の量に比例します。 例として、 2 つの鉄製フライパンの熱容量について考えてみましょう。 どちらも同じ材料でできていますが、大きなフライパンの質量は小さいフライパンの質量の 5 倍あるため、大きなフライパンの熱容量は、小さいフライパンの 5 倍になります。 質量が多いほど、大きなフライパンに原子が多く存在することを意味します。そのため、すべての原子がより速く振動するためには、より多くのエネルギーを消費します。 小型鉄製フライパンの熱容量は、フライパンの温度を 50.0 ° C （ Δ T）上昇させるために 18,140 J のエネルギー（ q ）が必要です。

大きな鉄製フライパンは同じ物質でできていますが、温度を 50.0 ° C （ Δ T ）上げるには、 90,700 J のエネルギー（ q ）が必要です。 フライパンが大きくなると、同じ温度変化をもたらすために（比例的）より大きなエネルギーが必要になるため、熱容量が大きくなります。

物質の比熱容量（ c ）は、一般に「比熱」と呼ばれ、物質の温度を 1 グラム（ 1 ケルビン）上昇させるために必要な熱量です。  

比熱容量は、吸収する物質の種類や熱を放出する物質の種類によってのみ異なります。 これは示強性であるため、物質の量に依存しない。 たとえば、小さな鉄製フライパンの質量が 808 g のとき、鉄（フライパンを作るために使用される材料）の比熱は次のようになります。

大型フライパンの質量は 4040 g で、このフライパンのデータを使用して、鉄の比熱を計算することもできます。  

大きいフライパンは小さいフライパンより質量が大きいが、どちらも同じ材料でできているので、比熱は同じ値になります（材料である鉄の場合）。 比熱は質量あたり温度あたりのエネルギーの単位で測定され、 2 つの示量性（熱と質量）の比から算出される示強性であることに注意します。 示強性であるモルの熱容量は、特定の物質のモルあたりの熱容量であり、単位は J/mol⋅°C です。

水の比熱は比較的高く（液体の場合は J/g⋅°C、固体の場合は 2.09 J/g⋅°C）、ほとんどの金属の比熱はかなり低い（通常は 1 1 J/g⋅°C 未満）。 物質の質量（ m）とその比熱（c）を知っていれば、熱が上昇または下降する前後の温度変化（ Δ T ）を測定して、物質を出入りする熱の量qを決定できます。  

物質が熱エネルギーを得ると、その温度が上昇し、最終温度が初期温度よりも高くなります。 T_final–T_initialと qの値は正の値です。 物質が熱エネルギーを失った場合、その温度が下がり、最終温度が初期温度より低くなり、T_final–T_initialと q の値が負の値になります。

熱、比熱、質量、および温度変化の関係は、他の 3 つが既知であるか推定可能である場合、これらの量のいずれかを決定するために使用できます（熱だけではなく）。

このテキストは 、 OpenStax Chemistry 2e 、 Section 5.1 ： Energy Basics and OpenStax Chemistry 2e 、 Section 5.3 ： Endarpy から引用しています。