中2物理【熱量・電力量】

このページでは、熱量の計算や【J(ジュール)】【Wh(ワット時)】について解説しています。

また水を温めたときの温度変化を考える問題についても解説。

 

このページの単元を理解するには →【オームの法則】← と →【電力】← の単元をできるようにしておきましょう。

 

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1.熱量

■熱量

熱エネルギーの量のこと。単位は【J】(ジュール)を用います。

※エネルギーの単位はすべて【J】です!

 

 

 

電熱線とは、電流を流すと熱が発生する電気器具です。

ここでは電熱線から発生した熱量を考えます。

 

 

 

■熱量の求め方

$$電熱線から出る熱量(J)=電力(W)×時間(秒)$$

 

 

 

電力は「1秒あたりにどれだけのエネルギーを出すことができるか」という意味です。

 

 

 

「3W」というのは「1秒あたりに3Jのエネルギーを出すよ」ということです。

 

 

 

そのため電熱線の使用時間を掛け算すれば熱量(熱エネルギーの量)を求めることができます。

※「秒数」をかける、ということに注意!「分」ではありません。

 

 

 

2.水を温める

この単元では、容器に水と電熱線を入れて水を温めるというお話がたくさん出てきます。

 

 

 

水の温度は電熱線から発生した熱によって上がります。

 

 

 

電熱線から発生した熱がすべて水の温度上昇に使われるとき、水の上昇温度は熱量に比例します。
(ちなみに水の量には反比例します。)

どういうことか次の例題で確認してみます。

 

 

 

例題

次の図1のような回路で10分間電流を流し水をあたためた。

このとき水の温度が2℃上がった。

 

図1

 

 

このとき次の図2の回路では、水の温度は何℃上がるか?

ただし電流を流す時間や水の量は図1と同じとする。

 

図2


(答)

まず、図1の場合に電熱線から発生する熱量を計算します。

オームの法則より

$$電流(A)=\frac{電圧(V)}{抵抗(Ω)}=\frac{10V}{5Ω}=2A$$

電力の公式から

$$電力(W)=電流(A)×電圧(V)=2A×10V=20W$$

先ほど紹介した熱量の公式より

$$電熱線から出る熱量(J)=電力(W)×時間(秒)=20W×600秒=12000J$$

よって12000Jです。

 

 

 

次に図2の場合にで電熱線から発生する熱量を計算します。

オームの法則より

$$電流(A)=\frac{電圧(V)}{抵抗(Ω)}=\frac{50V}{5Ω}=10A$$

電力の公式より

$$電力(W)=電流(A)×電圧(V)=10A×50V=500W$$

先ほど紹介した熱量の公式より

$$電熱線から出る熱量(J)=電力(W)×時間(秒)=500W×600秒=300000J$$

よって300000Jです。

 

 

 

図2の電熱線から出る熱量は30000J。

図1の電熱線から出る熱量は12000J。

$$300000J÷12000J=25倍$$

図2では図1の25倍の熱量が発生しているということになります。

 

 

 

よって、図2での水の上昇温度も図1の25倍。

 

 

 

図1の水の上昇温度は2℃であるため

$$図2の水の上昇温度=2℃×25=50℃$$

ということになります。

 

 

 

図2の水の上昇温度は50℃です。

 


※補足

この例題では図1と図2で「水の量」「電流を流した時間」を同じにしています。

 

 

 

ということは図1と図2の電熱線から出る熱量のちがいは「電力」が原因ということになります。

 

 

 

言い換えると、

図1と図2で水の上昇温度がちがうのは、電力がちがうから

ということです。

 

 

 

だから

図2の電力500W÷図1の電力20W=25倍

と電力のちがいを求めて

 

 

 

そこから

図2の上昇温度=図1の上昇温度2℃×25=50℃

と考えればよいわけです。

 


※さらに補足

 

電力の単元のページで説明していますが・・・

 

 

 

図1から図2で電圧が5倍になった

↓↓↓

つまり電力は52=25倍

↓↓↓

上昇温度も25倍!

と考えられるようになればもっとすばやく計算できます。

 

 

3.電力量

■電力量

電力に時間をかけたものです。

時間を【秒】(s)の単位でかけ算するか、【時間】(h)の単位でかけ算するかでその単位が違います。

$$電力量【Wh(ワット時)】=電力【W】×時間【時間】$$

$$電力量【J】=電力【W】×時間【秒】$$

 

ここは公式を覚えるだけでOK。

(【Wh】で「ワット時」と読みます。)

 

 

 

電力量と熱量にほとんど違いはありません。

・「何Jですか」という問いか

・「何Whですか」という問いか

どの単位を問われているかでやや求め方が異なるので、問題文をよく読みましょう。

 

 

POINT!!

・「J=W×秒」を覚えておこう。

・「水温上昇」は「電力」で考えると楽なことが多い。

 

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