電力と熱量とワットとジュール、エネルギーの違いを理解してますか?問題解けていますか?

中学2年生

理科が苦手な人が多くわからないまま通りすぎていくポイントです。

電気の範囲は2年生の中でもヘビーな範囲なので学校の先生も細かいところに割いている時間がないから苦手な人が続出します

熱量の問題を解きつつここの範囲を理解を深めていきましょう

 

https://chugakurika.com/2017/11/16/post-517/

 

 

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電力と熱量とワットとジュール、エネルギー

熱量とジュール(とエネルギー)

 

先ず熱量とジュールの関係ですが熱量の単位がジュール[J]です。

ややこしいのですが毎度毎度熱量と書いていくのはめんどくさいので熱量はQで表されることが多いです。このQはquantity of heatの頭文字から来ています。ジュールは単位ですので区別をちゃんとつけましょう

そしてエネルギーと熱量は同じ意味と捉えてもらって大丈夫です

 

正確には仕事とエネルギーの和が熱量なのですが高校の範囲です・・・

熱量と聞けば熱さの量?熱の話なのかなとイメージが湧くかもしれません。温度の計算で使えそうとも

 

対してエネルギーと聞けば秘めたる力のイメージですかね。電気をチャージするのもエネルギーな感じもしますし、走り回ると身体のエネルギーを消費していくという方面のエネルギーのイメージもあるかもしれませんね。あとは食品の裏のラベルに書いてるエネルギー○○kcal(キロカロリー)とかもですかね

 

これらのイメージは正しいです。

 

エネルギーというのは電気の範囲だけでなくさまざまな分野で使われます。3年生になれば運動エネルギーと位置エネルギーが登場しますし、食品の裏のラベルのエネルギーもエネルギーなんです。

 

エネルギーとはいろんな分野で使えるので違う分野と分野をつなげる架け橋にもなる便利な単位なんです

 

カロリーってなに?

 

食品の裏に書かれているエネルギー:○○kcalのカロリー。

1グラムの水の温度を1度上昇させるのに必要な熱量のことを言います

 

 

エネルギーの単位はジュール[J]じゃないの?

という疑問ができます。昔はジュールではなくカロリーが使われていました。尺度は違いますが同じことを表しています。アメリカ(イギリス)とドイツ系との政治的な話が絡んでくるのですが

  • リットルとガロン
  • 時速○kmとマイル
  • メートルとフィート、インチ

他の例をあげるとわかりやすいですね。こんな感じの差だと理解してください

 

ただ、ジュールをカロリーに直せ、カロリーをジュールに直せという問題があります。そういう問題に対しては

1J=0.24cal

1cal=4.2J

と変換することができます。

 

電力とワット

 

先に電力とワットの関係ですが電力の単位がワット[W]です。そして電力とはなにか教科書的に言うと電力は単位時間あたりの熱量のことです。

 

単位時間あたりというのは1秒のということです。

 

今まで習った範囲だと速さです。秒速○cmというのは1秒あたりの距離、つまり単位時間あたりの距離です。

 

こちらも毎度毎度電力と書くのもめんどくさいのでPと置き換えることがあります。ちなみにこのPはpowerから来ています。ワットとパワーの区別ちゃんとつきましたか?

 

電気的な分野ですので電圧や電流と電力を組み合わせて考えなければいけません。電流×電圧=電力で示せることも覚えてほしいです。なるべく単調に覚えるのはしんどいので覚え方のコツを教えます。

 

 

電力がPで表せれるように電流はI、電圧はVで表せれます

電力と熱量の関係

 

電力は単位時間あたりの熱量。つまり電力×時間=熱量で示すことができます

これまでの式全てまとめると下の図のようになります。

 

 

電気回路の範囲で行ったきはじの円のように当てはめたものとこれまでの計算式を組み合わせたものです。

この画像をダウンロードするなりしてズレたりぶれないように何度も覚えましょう。

 

https://chugakurika.com/2017/11/16/post-517/

 

熱量の問題

問題

 

8Vの電源をもった以下のような回路で4Ω側の抵抗を100gの40度のお湯につけている。このお湯を100度まで上昇したい。何分何秒後に100度に達するか。

1gの水を1度上昇するのに1cal必要で1cal=4.2Jとする。また時間経過とともに水は冷めることはないとする。

 

 

 

 

解答

 

まず電気回路の範囲でやったやり方で4Ωの抵抗に流れる電流を求める

 

並列回路なので4Ωにかかる電圧は8Vで電流は2Aと算出することができます。16Ωのほうはつかわないので無視します。

4Ωの電力は電圧×電流より16Wと算出できます。

 

高レベルの方はわざわざ電流を出さなくてもW=(V×V)÷Rで求めることもできるので(8×8)÷4=16Wと出すこともできます

次に温度と熱量を見ていきましょう。

 

 

40度から100度まであげようとすると60度上昇させることになります。 1gの水を1度上昇するのに1cal必要なので100gの水を60度上昇するには6000cal必要です。

1cal=4.2Jより6000cal=25200Jです。

 

熱量=電力×時間より、時間[秒]=25200J÷16W=1575秒です。

分に直すと26分15秒です

 

 

 

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