問4 この発電機は調べてみたところ10 Vの電圧が発生していた。電熱線の抵抗が2…
(1 ・2 のどちらか1 題を選び解答する) 熱とエネルギーについて,問1 ~問5 に答えよ。 図のような水を落として発電機の中にあるタービン(羽根車)を回して発電する装置を作った。 その装置により発電した電気を電熱線に通して容器と中の液体を温める実験を行った。温める液 体は表1 のような水,海水,オリーブオイルの3 種類とし,質量はすべて200 g である。容器は 表2 のようなプラスチックとステンレスの2 種類とし,質量はすべて250 g である。発電機を動 かす水は常に追加して一定量を保ち,実験中の容器には断熱材を巻き,電熱線の発熱量はすべて 液体に伝わるように工夫した。それぞれの実験をはじめるときには容器・液体ともに室温と同じ ものを用いた。 発電機 ⇄ 発電機を動かすための水 温める液体 (水または海水または オリーブオイル) 容器 (プラスチックまたはステンレス) 電熱線 断熱材 図 表1 表2 熱伝導率は大きいほど熱が伝わりやすい。
問4 この発電機は調べてみたところ10 Vの電圧が発生していた。電熱線の抵抗が20 Ω のと き,10 分間に発熱する熱量として正しいものを,次の1 ~4 のうちから一つ選べ。
| 液 体 | 比熱容量(比熱) |
|---|---|
| 水 | 4.2 J/(g・K) |
| 海 水 | 3.9 J/(g・K) |
| オリーブオイル | 2.0 J/(g・K) |
| 容 器 | 熱伝導率 | 比熱容量(比熱) |
|---|---|---|
| プラスチック | 0.2 W/(m・K) | 1.5 J/(g・K) |
| ステンレス | 84 W/(m・K) | 0.46 J/(g・K) |
- 1 30 J電力5Wに時間の単位をそろえずにかけた値に近く、桁が足りません。
- 2 300 J10分を60秒に直さずに、5×60として計算した場合の値です。600秒で計算します。
- 3 3000 J電力は10×10÷20=5W、時間は600秒なので、発熱量は5×600=3000Jです。
- 4 30000 J電力を50Wとしてしまった場合などに出る値です。電圧の2乗を抵抗で割ると5Wになります。
解説
正解は3です。まず電熱線が1秒あたりに出す熱量、つまり電力を求めます。電力は電圧の2乗を抵抗で割って求められるので、10×10÷20=5Wです。次に時間をそろえます。10分は60秒×10=600秒です。発熱量は電力と時間の積なので、5×600=3000Jとなります。分のまま10をかけると300Jになってしまうので、秒に直してから計算することが大切です。電力の単位Wは1秒あたりのJを表している、と覚えておきましょう。
出典:文部科学省ホームページ(https://www.mext.go.jp/a_menu/koutou/shiken/kakomon/1411255_00018.htm)を加工して作成