第5章熱化学
Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ
Energy is the capacity to supply heat or do work (applying a force to move matter). Kinetic energy (KE) is the energy of motion; potential energy is energy due to relative position, composition, or condition. When energy is converted from one form into another, energy is neither created nor destroyed (law of conservation of energy or first law of thermodynamics).
エネルギーは、熱を供給したり、力を加えて物質を動かす仕事をしたりする能力である。運動エネルギーKEは運動によるエネルギー、位置エネルギーは相対的な位置、組成、状態によるエネルギーである。エネルギーの形が変わっても、作られたり消滅したりはしない。これがエネルギー保存則、または熱力学第1法則である。
The thermal energy of matter is due to the kinetic energies of its constituent atoms or molecules. Temperature is an intensive property of matter reflecting hotness or coldness that increases as the average kinetic energy increases. Heat is the transfer of thermal energy between objects at different temperatures. Chemical and physical processes can absorb heat (endothermic) or release heat (exothermic). The SI unit of energy, heat, and work is the joule (J).
物質の熱エネルギーは、構成する原子や分子の運動エネルギーによる。温度は熱さや冷たさを表す示強性の性質で、平均運動エネルギーが大きいほど高い。熱は、温度の異なる物体間での熱エネルギーの移動である。化学的・物理的な過程には、熱を吸収する吸熱過程と、熱を放出する発熱過程がある。エネルギー、熱、仕事のSI単位はジュールJである。
Specific heat and heat capacity are measures of the energy needed to change the temperature of a substance or object. The amount of heat absorbed or released by a substance depends directly on the type of substance, its mass, and the temperature change it undergoes.
比熱と熱容量は、物質や物体の温度を変えるのに必要なエネルギーの尺度である。物質が吸収または放出する熱量は、物質の種類、質量、温度変化に直接依存する。
Key Equations重要な式
Chemistry End of Chapter Exercises章末問題
Exercises 1–13練習問題 1–13
Exercise 1問題 1
A burning match and a bonfire may have the same temperature, yet you would not sit around a burning match on a fall evening to stay warm. Why not?
英語のヒント
燃えるマッチとたき火は、温度が同じこともある。それでも、秋の夕方に暖を取るため、燃えるマッチの周りに座ろうとはしないのはなぜか。
Solution解き方
The temperature of 1 gram of burning wood is approximately the same for both a match and a bonfire. This is an intensive property and depends on the material (wood). However, the overall amount of produced heat depends on the amount of material; this is an extensive property. The amount of wood in a bonfire is much greater than that in a match; the total amount of produced heat is also much greater, which is why we can sit around a bonfire to stay warm, but a match would not provide enough heat to keep us from getting cold.
燃える木材1 gの温度は、マッチでもたき火でもほぼ同じである。温度は示強性の性質で、材料である木材によって決まる。しかし、発生する熱の総量は材料の量に依存する示量性の量である。たき火の木材の量はマッチよりはるかに多く、発生する熱の総量もはるかに大きい。そのため、たき火の周りに座れば暖を取れるが、マッチでは体が冷えないようにするだけの熱を供給できない。
Exercise 2問題 2
Prepare a table identifying several energy transitions that take place during the typical operation of an automobile.
自動車が通常の運転中に起こすエネルギー変換をいくつか挙げ、表にまとめなさい。
Exercise 3問題 3
Explain the difference between heat capacity and specific heat of a substance.
物質の熱容量と比熱の違いを説明しなさい。
Solution解き方
Heat capacity refers to the heat required to raise the temperature of the mass of the substance 1 degree; specific heat refers to the heat required to raise the temperature of 1 gram of the substance 1 degree. Thus, heat capacity is an extensive property, and specific heat is an intensive one.
熱容量は、ある質量の物質全体の温度を1度上げるのに必要な熱量を指す。比熱は、その物質1 gの温度を1度上げるのに必要な熱量を指す。したがって、熱容量は示量性、比熱は示強性の性質である。
Exercise 4問題 4
Calculate the heat capacity, in joules and in calories per degree, of the following:
次の熱容量を、1度当たりのジュールとカロリーで求めなさい。
(a) 28.4 g of water
(a) 水28.4 g。
(b) 1.00 oz of lead
(b) 鉛1.00オンス。
Exercise 5問題 5
Calculate the heat capacity, in joules and in calories per degree, of the following:
次の熱容量を、1度当たりのジュールとカロリーで求めなさい。
(a) 45.8 g of nitrogen gas
(a) 窒素ガス45.8 g。
(b) 1.00 pound of aluminum metal
(b) 金属アルミニウム1.00ポンド。
Solution解き方
(a) 47.6 J/°C; 11.38 cal °C−1; (b) 407 J/°C; 97.3 cal °C−1
(a) 47.6 J/°C、11.38 cal °C−1。(b) 407 J/°C、97.3 cal °C−1。
Exercise 6問題 6
How much heat, in joules and in calories, must be added to a 75.0–g iron block with a specific heat of 0.449 J/g °C to increase its temperature from 25 °C to its melting temperature of 1535 °C?
比熱0.449 J/g °C、質量75.0 gの鉄の塊を、25 °Cから融点1535 °Cまで加熱するには、何ジュール、何カロリーの熱を加える必要があるか。
Exercise 7問題 7
How much heat, in joules and in calories, is required to heat a 28.4-g (1-oz) ice cube from −23.0 °C to −1.0 °C?
質量28.4 g（1オンス）の氷を−23.0 °Cから−1.0 °Cまで加熱するには、何ジュール、何カロリーの熱が必要か。
Solution解き方
1310 J; 313 cal
1310 J、313 cal。
Exercise 8問題 8
How much would the temperature of 275 g of water increase if 36.5 kJ of heat were added?
水275 gに36.5 kJの熱を加えると、温度は何度上がるか。
Exercise 9問題 9
If 14.5 kJ of heat were added to 485 g of liquid water, how much would its temperature increase?
液体の水485 gに14.5 kJの熱を加えると、温度は何度上がるか。
Solution解き方
7.15 °C
7.15 °C
Exercise 10問題 10
A piece of unknown substance weighs 44.7 g and requires 2110 J to increase its temperature from 23.2 °C to 89.6 °C.
未知の物質片の質量は44.7 gで、温度を23.2 °Cから89.6 °Cに上げるには2110 Jが必要である。
(a) What is the specific heat of the substance?
(a) この物質の比熱はいくらか。
Exercise 11問題 11
A piece of unknown solid substance weighs 437.2 g, and requires 8460 J to increase its temperature from 19.3 °C to 68.9 °C.
未知の固体の質量は437.2 gで、温度を19.3 °Cから68.9 °Cに上げるには8460 Jが必要である。
(a) What is the specific heat of the substance?
(a) この物質の比熱はいくらか。
Solution解き方
(a) 0.390 J/g °C; (b) Copper is a likely candidate.
(a) 0.390 J/g °C。(b) 銅が有力な候補である。
Exercise 12問題 12
An aluminum kettle weighs 1.05 kg.
アルミニウム製やかんの質量は1.05 kgである。
(a) What is the heat capacity of the kettle?
(a) やかんの熱容量はいくらか。
(b) How much heat is required to increase the temperature of this kettle from 23.0 °C to 99.0 °C?
(b) やかんの温度を23.0 °Cから99.0 °Cに上げるには、どれだけの熱が必要か。
(c) How much heat is required to heat this kettle from 23.0 °C to 99.0 °C if it contains 1.25 L of water (density of 0.997 g/mL and a specific heat of 4.184 J/g °C)?
(c) やかんに水1.25 Lが入っているとき、23.0 °Cから99.0 °Cまで加熱するには、どれだけの熱が必要か。水の密度は0.997 g/mL、比熱は4.184 J/g °Cとする。
Exercise 13問題 13
Most people find waterbeds uncomfortable unless the water temperature is maintained at about 85 °F. Unless it is heated, a waterbed that contains 892 L of water cools from 85 °F to 72 °F in 24 hours. Estimate the amount of electrical energy required over 24 hours, in kWh, to keep the bed from cooling. Note that 1 kilowatt-hour (kWh) = 3.6 106 J, and assume that the density of water is 1.0 g/mL (independent of temperature). What other assumptions did you make? How did they affect your calculated result (i.e., were they likely to yield “positive” or “negative” errors)?
英語のヒント
ウォーターベッドは、水温が約85 °Fに保たれていないと、多くの人には寝心地が悪い。水892 Lを含むベッドを加熱せずにおくと、24時間で85 °Fから72 °Fまで冷える。温度を保つために24時間で必要な電気エネルギーを、kWhで見積もりなさい。1キロワット時kWh = 3.6 106 Jとし、水の密度は温度によらず1.0 g/mLとする。ほかにどのような仮定を置いたか。その仮定は計算結果にどう影響したか。つまり、誤差を正または負のどちらに生じさせると考えられるか。
Solution解き方
We assume that the density of water is 1.0 g/cm3(1 g/mL) and that it takes as much energy to keep the water at 85 °F as to heat it from 72 °F to 85 °F. We also assume that only the water is going to be heated. Energy required = 7.47 kWh
水の密度を1.0 g/cm3（1 g/mL）とし、85 °Fに保つためのエネルギーは72 °Fから85 °Fへ加熱するのと同じと仮定する。また、加熱されるのは水だけと仮定する。必要なエネルギーは7.47 kWh。
calorie (cal)
カロリー（cal）
unit of heat or other energy; the amount of energy required to raise 1 gram of water by 1 degree Celsius; 1 cal is defined as 4.184 J
熱などのエネルギーの単位。水1 gの温度を1 °C上げるのに必要なエネルギー量。1 calは4.184 Jと定義される。
endothermic process
吸熱過程
chemical reaction or physical change that absorbs heat
熱を吸収する化学反応または物理変化。
energy
エネルギー
capacity to supply heat or do work
熱を供給したり、仕事をしたりする能力。
exothermic process
発熱過程
chemical reaction or physical change that releases heat
熱を放出する化学反応または物理変化。
heat (q)
熱（q）
transfer of thermal energy between two bodies
2つの物体間での熱エネルギーの移動。
heat capacity (C)
熱容量（C）
extensive property of a body of matter that represents the quantity of heat required to increase its temperature by 1 degree Celsius (or 1 kelvin)
ある量の物質の温度を1 °C（または1 K）上げるのに必要な熱量を表す、示量性の性質。
joule (J)
ジュール（J）
SI unit of energy; amount of energy used when a force of 1 newton moves an object 1 meter, 1 J = 1 kg m2/s2 and 4.184 J = 1 cal
エネルギーのSI単位。1 Nの力で物体を1 m動かすときに使うエネルギー量。1 J = 1 kg m2/s2で、4.184 J = 1 calである。
kinetic energy
運動エネルギー
energy associated with an object's motion, equal to one-half the product of the object's mass and the square of its velocity, (where m = mass and v = velocity)
物体の運動に伴うエネルギー。物体の質量と速度の2乗の積の半分に等しく、で表される。mは質量、vは速度である。
potential energy
位置エネルギー
energy of a particle or system of particles derived from relative position, composition, or condition
粒子または粒子系の相対的な位置、組成、状態によるエネルギー。
specific heat capacity (c)
比熱（c）
intensive property of a substance that represents the quantity of heat required to raise the temperature of 1 gram of the substance by 1 degree Celsius (or 1 kelvin)
物質1 gの温度を1 °C（または1 K）上げるのに必要な熱量を表す、示強性の性質。
temperature
温度
intensive property of matter that is a quantitative measure of “hotness” and “coldness”
「熱さ」や「冷たさ」の定量的な尺度となる、物質の示強性の性質。
thermal energy
熱エネルギー
kinetic energy associated with the random motion of atoms and molecules
原子や分子の無作為な運動に伴う運動エネルギー。
thermochemistry
熱化学
study of measuring the amount of heat absorbed or released during a chemical reaction or a physical change
化学反応や物理変化の際に吸収または放出される熱量の測定を研究する分野。
work (w)
仕事（w）
energy transfer due to changes in external, macroscopic variables such as pressure and volume; or causing matter to move against an opposing force
圧力や体積などの外部の巨視的変数の変化によるエネルギー移動。または、逆向きに働く力に抗して物質を動かすこと。