熱力学
冷熱混合
熱い物体と冷たい物体を混ぜ、平衡温度を求めてください。
冷熱混合 — インタラクティブな熱力学シミュレーション。熱い物体と冷たい物体を混ぜ、平衡温度を求めてください。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
熱平衡
熱い物体と冷たい物体を混ぜ、平衡温度を求めてください。
熱量測定は孤立系を仮定します：温かい物体が失う熱は冷たい物体が得る熱に等しくなります。比熱が一致する場合、最終温度は初期温度の質量加重平均になります。このプリセットは明示的な熱容量を使い、平衡への近づき方を目に見えるようにしています。
- Q_lost = Q_gained
- T_eq は mc で加重
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
熱いアルミニウムのブロックを、より冷たい水へ入れる。同じ開始温度で、より大きな（質量の大きい）アルミニウムブロックを使うと、最終平衡温度は上がるか下がるか？
検討する予測
- 熱いブロックが大きいほど最終平衡温度を上げる。
- 熱いブロックが大きいほど最終平衡温度を下げる。
- 最終温度はアルミニウムブロックの質量に依存しない。
可変的な役割
設定するもの：
- アルミニウムの質量 m₂ (kg)
測定するもの：
- 平衡温度 T_eq (K)
実験の進め方
- hot-cold-mix プリセットを開き、「リセット」を押す。290 K の水 1 kg（body1）と 400 K のアルミニウムブロック（body2）を混ぜる。
- 平衡温度の表示を有効にする。
- 各試行のアルミニウムブロックの質量を設定し、平衡温度を記録する。
支配方程式
熱量測定による平衡温度 — T_eq = Σ mᵢcᵢTᵢ / Σ mᵢcᵢ
二つの物体が周囲への損失なしに熱を交換すると、各物体の熱容量 m·c（質量だけではない）で重み付けした平均温度に落ち着く。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 1回の試行について、水 m₁ = 1 kg、c₁ = 4186 J/(kg·K)、T₁ = 290 K、アルミニウム c₂ = 900 J/(kg·K)、T₂ = 400 K を用いて T_eq = (m₁c₁T₁ + m₂c₂T₂) / (m₁c₁ + m₂c₂) を計算する。表と比較する。
- アルミニウムの比熱（900 J/(kg·K)）が水の比熱（4186 J/(kg·K)）よりはるかに小さいのに、熱いブロックの質量を増やすと平衡温度が高くなる理由を説明する。
実験以外での活用
- 水は多くの材料に比べて比熱が非常に大きい。沿岸地域の気候が内陸部より温度変化が穏やかになりやすい理由を、この実験と同じエネルギー収支の考え方を使って説明する。
- アルミニウムブロックが失った熱は、水が得た熱と正確に等しいはずである（周囲への損失がないと仮定したエネルギー保存）。1回の試行について、各物体の Q = mcΔT を使って確認する。
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.1 Thermal energy transfers
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- Middle School Physical Science — Energy transfer between materials
- 熱平衡へようこそ
- 冷たい物体を選択
- 再生
- 一つの温度に混ざる
- インスペクターを開く
- 完了です！
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。