熱

目次

1 　対流

２　伝導

３　熱の吸収と放出

４　熱の移動と平衡

 

１　対流　トップへ

（１）風ぐるま

材料	小さなペットボトル　湯　方眼紙　はさみ　ピン　粘土
方法	１ 方眼紙を3cm四方に切り、図のように対角沿いに一ます切込みを入れ折る。 ２ 粘土を丸め、ボトルの蓋にのせピンを差し込む。 ３ ボトルに湯を入れて、２の蓋をして、切り取った方眼紙をのせる。
結果	方眼紙は旋回する。

説明　

ボトルから上昇気流が発生し、風ぐるまに当たり旋回する。湯によって熱せられた空気は膨張し、周りの空気より軽くなり上昇する。冷たい空気は重いので下降し、上昇した暖かい空気と入れ替わり、暖められて上昇する。このような空気の移動を対流と呼び、対流によって熱が運ばれる。対流は気体や流体に生じ、固体には起きない。熱は媒体が移動することによって運ばれる。

(２）旋回する紙　

材料	紙　糸　アルコールランプ　ロウソク
方法	１ 紙をらせん状に切り取り、先端に糸を結ぶ。先端は燃えないように水をつけておく。 ２ ロウソクに火をつけ、らせん状の紙を炎の上にかざす
結果	らせん状の紙が旋回する。らせん状の紙は風車と同じように、暖かくなった空気が外側に出る力を受けて回転する。

（３）空気の対流―燃焼―

ねらい　空気中で燃焼が継続するためには空気の流れが必要であることを知る。

材料	プラスチックボトル　ロウソク　雑巾
方法	１ ペットボトルの底を平らになるように切り取る。 ２ 水で濡らした雑巾を机の上に置き、その上に小さな板にロウソクを立てる。濡れ雑巾を使うのはロウソクが倒れた時に消化の役目をすることと、底の隙間から空気が入らないようにするためである。
実験１	ボトルの蓋をしたままロウソクにかぶせる
結果	火は消える。
実験２	ボトルの蓋を開けロウソクにかぶせる。
結果	火は消える。
実験３	ボトルの底付近に穴を開け、蓋をしたままロウソクにかぶせる。
結果	火は消える。
実験４	蓋を開け、底の穴を開けたままロウソクに被せる
結果	火は燃え続ける。

まとめ

実験２はロウソクが消えるまでにほかの場合よりも時間がかかるが火は消える。煙がボトルの上の方まで上がってもすぐに下に落ちてくるのが観察できる。上部が開いていても空気の対流が弱いことがわかる。燃焼を続けるためには常に空気の供給が必要で、そのためには下部と上部の二か所が開口していないと流れが生じないことがわかる。空気の通り道を作ってやることが燃焼には大切な条件である。

　空気中の酸素濃度は21%で、燃焼により酸素が減少し約17%になるとロウソクは消える。常に酸素21%の空気が供給されないと燃焼は続かない。そのために下と上の両方が開いており、空気の流れがないとロウソクは燃えない。

 

２　伝導 トップへ

伝導　物質を構成する原子や分子が熱により振動し、その振動が隣接する原子や分子に伝わり、次々に熱が伝わっていく現象

身近な例　鍋の金属のお玉が熱くなる。火箸が熱くなる。

材料	金属の棒　ロウソク　コイン　糸
方法	１ 糸を短く切り、コインにセロテープで留める。 ２ 金属の適当な位置に糸の先端をロウソクのロウを垂らして固定する。 ３ 金属の先端をロウソクで加熱しコインが落ちる様子を観察する。
結果	ロウソクに近い方からロウが溶けてコインが落下する。熱が金属を移動し熱が伝わっていくことがわかる。金属を作る原子が熱により振動し、その振動が次々と隣に伝わっていく現象で、熱は暖かい部分から冷たい部分に伝わっていく。熱伝導が起きる物質を熱導体といい、熱を伝えにくい物質を絶縁体という。

    

３ 熱の吸収と放出 トップへ

目的	黒色と白色の水溶液の太陽熱の吸収と放出の違いを調べる。
材料	ガラス容器（プラスチックボトル）3個　黒と白の絵具　温度計
方法	１ 黒と白の絵具を溶かしビンに入れる。水を対照とする。 ２ 日向に置き10分おき水温を記録する。

結果

対照と白で温度上昇と下降が同じであった。黒は熱の吸収が良く、放出にも時間がかかった。

黒は温まりやすく冷めにくいことがわかる。白は太陽光を反射するので温まりにくい。

４　熱の移動、平衡 トップへ

ねらい　温度の違う二つの物質が接していると高温物体から低温物体に熱が移動し、温度が同じになることを調べる。

材料	ビーカー大小　温度計　梱包用クッション（断熱材）
方法	大きなビーカーに冷水を200mL、小さなビーカーに温水を100mL入れ、始めの温度から1分毎に水温を温度差がなくなるまで測定する。周囲を梱包用クッションで包む。

結果

℃

分	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
湯	42	39	34.4	30.7	28.5	27.3	26.5	25.9	25.6	25.2	24.9
水	15.7	17.8	20.0	22.5	23.4	23.8	24.0	24.1	24.2	24.2	24.2

11	12	13	14	15	16	17	18
24.7	24.6	24.4	24.3	24.2	24.1	24	23.9
24.2	24.2	24.2	24.1	24.1	24.0	23.95	23.9

考察

熱量の計算　Q=mct　熱量は物体の質量、比熱、温度変化の積である。

m1 c1 (t1-t)= m2 c1 (t-t2)

m：質量　ｃ：比熱　ｔ：終わりの温度(t₁ t₂は始めの温度)

放熱量と吸熱量は等しいので、同じになる温度をｘとすると　湯からの放熱量は100×1.0×(42―ｘ)で、冷水の吸熱量は200×1.0×(x―15.7)となり、これが等しいのでｘを解くと24.5℃となる。

実験結果は23.9℃となった。この違いは室温が18.2℃と低いので熱の放出が空気中にもあり、理論値よりも低くなったと考えられる。