比熱ラボ：水・鉄・油の加熱Specific Heat Lab: Heating Water, Iron and Oil

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 同じ 300 g の水・鉄・油を、同じコンロで同じ時間加熱します。いちばん温度が上がるのはどれで、いちばん上がりにくいのはどれだと思いますか。300 g each of water, iron and oil are heated on the same burner for the same time. Which do you think gets hottest, and which warms up the least?💡 夏の昼、日なたの鉄棒と、プールの水の温度の違いを思い出してみましょう。Think about how hot a metal bar in the summer sun gets compared with the water in a swimming pool.
2. 水が 100℃ に達したあとも同じように加熱を続けると、水の温度はどうなると思いますか。If you keep heating the water in the same way after it reaches 100℃, what do you think happens to its temperature?💡 やかんでお湯をわかし続けたときの様子と、そのとき加えた熱が何に使われているかを考えてみましょう。Think about a kettle that keeps boiling, and what the added heat is being used for.

2動かしてみようTry it

1. 「再生速度」を ×10 にし、「コンロの出力」1000 W、「加熱時間」60 秒にして「最初から」を押す。加熱が終わったら表の「加えた熱 Q」「温度上昇 ΔT」「現在の温度」を3つの物質で記録する。Set "Speed" to ×10, "Burner power" to 1000 W and "Heating time" to 60 s, then press "Restart". When heating ends, record "Heat added Q", "Temp. rise ΔT" and "Temperature now" for all three substances in the table.
2. 加熱中に上の粒子モデルの動きと「速さ×」の値、温度計を3つの容器で比べる。While heating, compare the particle motion, the "speed×" value and the thermometer for the three containers at the top.
3. 「コンロの出力」を 500 W にして「最初から」を押し、60 秒後の ΔT を 1000 W のときと比べる。続けて「加熱時間」を 120 秒にのばし、ΔT がどう変わるかを見る。Set "Burner power" to 500 W and press "Restart". Compare ΔT after 60 s with the 1000 W result. Then extend "Heating time" to 120 s and see how ΔT changes.
4. 「コンロの出力」1000 W、「加熱時間」150 秒にして「最初から」を押す。水が 100℃ になったあとの水の温度、泡、表示「水は100℃に到達：蒸発量」と最下段「mcΔT＋潜熱」を観察する。Set "Burner power" to 1000 W and "Heating time" to 150 s and press "Restart". After the water reaches 100℃, watch its temperature, the bubbles, the message "Water has reached 100℃: evaporated", and the bottom row "mcΔT + latent heat".

3確かめようCheck

1. 1000 W で 60 秒加熱したとき、加えた熱 Q と各物質の温度上昇はいくらでしたか。When heated at 1000 W for 60 s, what was the heat added Q and the temperature rise of each substance?→ Q = P×t = 60,000 J はどれも同じ。ΔT は水 +47.8℃、油 +100.0℃、鉄 +444.4℃ で、鉄が最も上がり、水が最も上がりにくかった。比は 鉄:油:水 = 9.30 : 2.09 : 1(= 4184/450 : 4184/2000 : 1)。Q = P × t = 60,000 J for all three. ΔT was +47.8℃ for water, +100.0℃ for oil and +444.4℃ for iron: iron rose most and water least. The ratio iron : oil : water = 9.30 : 2.09 : 1 (= 4184/450 : 4184/2000 : 1).
2. 出力を 500 W にすると 60 秒後の温度上昇はどうなりましたか。加熱時間を 120 秒にするとどうなりましたか。At 500 W, what was the temperature rise after 60 s? What happened when the heating time was extended to 120 s?→ 500 W・60 秒では Q = 30,000 J で、ΔT は水 +23.9℃、油 +50.0℃、鉄 +222.2℃ と 1000 W のときのちょうど半分。120 秒にすると Q = 60,000 J となり、1000 W・60 秒と同じ ΔT になった。温度上昇は出力と時間に比例する(Q = P×t に比例)。At 500 W for 60 s, Q = 30,000 J and ΔT was +23.9℃ (water), +50.0℃ (oil), +222.2℃ (iron), exactly half the 1000 W values. At 120 s, Q = 60,000 J and ΔT matched the 1000 W, 60 s result. The temperature rise is proportional to power and time (to Q = P × t).
3. 粒子モデルの動きと温度にはどんな関係がありましたか。How was the particle motion related to the temperature?→ 温度が高い物質ほど粒子が速く動いた。1000 W・120 秒では「速さ×」が水 1.13、油 1.30、鉄 2.01 で、温度計の高さの順(水 100.0℃ < 油 220.0℃ < 鉄 908.9℃)と一致した。The hotter the substance, the faster its particles moved. At 1000 W for 120 s, "speed×" was 1.13 for water, 1.30 for oil and 2.01 for iron, in the same order as the thermometers (water 100.0℃ < oil 220.0℃ < iron 908.9℃).
4. 1000 W で 150 秒加熱したとき、水の温度と、100℃ に達したあとの熱はどうなりましたか。When heated at 1000 W for 150 s, what happened to the water's temperature and to the heat added after it reached 100℃?→ 水は約 100 秒で 100℃ に達して沸騰し、その後は加熱しても 100.0℃ のままだった(ΔT = +80.0℃)。加えた 150,000 J のうち 49,584 J は潜熱として水を水蒸気に変えるのに使われ、21.9 g が蒸発した。「mcΔT＋潜熱」は 150,000 J で、加えた熱 Q と等しい。The water reached 100℃ at about 100 s and boiled; after that it stayed at 100.0℃ (ΔT = +80.0℃) even while heated. Of the 150,000 J added, 49,584 J went into latent heat to turn water into steam, evaporating 21.9 g. "mcΔT + latent heat" was 150,000 J, equal to the heat added Q.

4考えようThink further

1. 海に近い地域は内陸に比べて、昼と夜、夏と冬の気温差が小さくなります。比熱を使って説明しましょう。Coastal areas have smaller temperature differences between day and night, and between summer and winter, than inland areas. Explain using specific heat.→ 水の比熱(4184 J/(kg·K))は岩石や土に比べて大きいので、同じ熱を受け取っても、または失っても、水の温度は変わりにくい。海水がゆっくり温まりゆっくり冷えるため、周りの空気の温度変化もおだやかになる。Water's specific heat (4184 J/(kg·K)) is much larger than that of rock or soil, so its temperature changes little for the same heat gained or lost. Because the sea warms and cools slowly, the temperature of the air around it changes more gently.
2. 水が沸騰している間、コンロから熱が加わり続けているのに温度が 100℃ から上がらないのはなぜですか。エネルギー保存の考え方で説明しましょう。While the water is boiling, heat keeps coming from the burner, yet the temperature stays at 100℃. Why? Explain using conservation of energy.→ 沸騰中に加えた熱は、水の粒子の運動を激しくする(温度を上げる)のではなく、液体の水を水蒸気に変える潜熱として使われる。加えた熱 Q = mcΔT + 潜熱 となって、エネルギーは失われずに状態変化に使われているので、温度は 100℃ のまま保たれる。During boiling, the added heat is not used to make the water particles move faster (raise the temperature) but as latent heat to turn liquid water into steam. Heat added Q = mcΔT + latent heat, so no energy is lost; it goes into the change of state, and the temperature stays at 100℃.

よくある誤解Common misconceptions

• 「同じ熱を加えれば、どの物質も同じだけ温度が上がる」という誤解。温度上昇は比熱によって違い、同じ 60,000 J でも水 +47.8℃、鉄 +444.4℃ と大きく異なる。The idea that the same heat raises the temperature of every substance by the same amount. The rise depends on specific heat: the same 60,000 J gives +47.8℃ for water but +444.4℃ for iron.
• 「熱と温度は同じもの」「加熱し続ければ水の温度はどこまでも上がる」という誤解。熱はエネルギーの移動量で、沸騰中の水は熱を受け取っても 100℃ のままである。The ideas that heat and temperature are the same thing, and that water's temperature keeps rising as long as it is heated. Heat is energy transferred; boiling water stays at 100℃ even while receiving heat.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)