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Thermal physics · ⁨熱物理学⁩

IGCSE Physics · ⁨IGCSE 物理⁩ · Topic 2 · ⁨トピック 2⁩

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14:24

熱力学

熱とは何か?十分拡大して見ると、すべては常に動いている微小な粒子でできています。加熱すると粒子の運動が速くなり、冷却すると…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

2.1

States of matter 物态 · ⁨状態⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

2.1.1 States of matter

Core Supplement
1 Know the distinguishing properties of solids, liquids and gases
2 Know the terms for the changes in state between solids, liquids and gases (gas to solid and solid to gas transfers are not required)

2.1.2 Particle model

Core Supplement
1 Describe the particle structure of solids, liquids and gases in terms of the arrangement, separation and motion of the particles and represent these states using simple particle diagrams 6 Know that the forces and distances between particles (atoms, molecules, ions and electrons) and the motion of the particles affects the properties of solids, liquids and gases
2 Describe the relationship between the motion of particles and temperature, including the idea that there is a lowest possible temperature ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), known as absolute zero, where the particles have least kinetic energy
3 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the motion of its particles and their collisions with a surface 7 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the forces exerted by particles colliding with surfaces, creating a force per unit area
4 Know that the random motion of microscopic particles in a suspension is evidence for the kinetic particle model of matter 8 Know that microscopic particles may be moved by collisions with light fast-moving molecules and correctly use the terms atoms or molecules as distinct from microscopic particles
5 Describe and explain this motion (sometimes known as Brownian motion) in terms of random collisions between the microscopic particles in a suspension and the particles of the gas or liquid

2.1.3 Gases and the absolute scale of temperature

Core Supplement
1 Describe qualitatively, in terms of particles, the effect on the pressure of a fixed mass of gas of: (a) a change of temperature at constant volume (b) a change of volume at constant temperature 3 Recall and use the equation $pV = \text{constant}$ for a fixed mass of gas at constant temperature, including a graphical representation of this relationship
2 Convert temperatures between kelvin and degrees Celsius; recall and use the equation $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
日本語

2.1.1 物質の状態

コア サプリメント
1 固体、液体、気体の区別される性質を知ること
2 固体、液体、気体間の状態変化に関する用語を知ること(気体から固体、および固体から気体への変換は不要)

2.1.2 粒子モデル

コア サプリメント
1 固体、液体、気体の粒子構造を、粒子の配置、間隔、運動の観点から記述し、単純な粒子図を用いてこれらの状態を表す 6 粒子(原子、分子、イオン、電子)間の力や距離、および粒子の運動が、固体・液体・気体の性質に影響することを理解している
2 粒子の運動と温度との関係、すなわち最低の可能な温度($-273\,{}^{\circ}\text{C}$)が存在し、これを絶対零度といい、このとき粒子の運動エネルギーが最小になるという考えを含むことを記述すること
3 気体の圧力およびその変化を、粒子の運動と表面との衝突の観点から説明する 7 気体の圧力およびその変化を、粒子が表面に衝突することで単位面積あたりの力を生み出すという力の観点から説明する
4 懸濁液中の微視的粒子のランダム運動は、物質の運動論的粒子モデルの証拠であることを知る 8 微視的粒子は、非常に速く動く分子との衝突によって動かされ得ることを知り、原子や分子を微視的粒子とは区別して正しく使用する
5 懸濁液中の微視的粒子と気体または液体の粒子との間のランダムな衝突の観点から、この運動( sometimes ブラウン運動とも呼ばれる)を記述・説明すること

2.1.3 気体と絶対温度スケール

コア サプリメント
1 一定質量の気体の圧力に対する以下の影響を、粒子の観点から定性的に説明する:(a) 一定体積での温度変化 (b) 一定温度での体積変化 3 一定温度における一定質量の気体に対する式 $pV = \text{constant}$ を記憶し、使用でき、またこの関係のグラフ表現も理解している
2 ケルビンと摂氏の間の温度変換を行い、式$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$を記憶して適用すること

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
Kinetic theory: gas pressure

Matter exists in three states: solid 固体, liquid 液体 and gas 气体.

State Shape Volume Particles
Solid fixed fixed close together, in a regular pattern, vibrating
Liquid takes the shape of the container fixed close together, no pattern, can move past each other
Gas fills the container changes far apart, fast, random motion

The changes of state are: melting (solid → liquid), boiling/evaporating (liquid → gas), condensation 凝结 (gas → liquid) and solidification 凝固 (liquid → solid). In condensation the gas particles slow down and come close together to form a liquid. In solidification the liquid particles lose energy and settle into fixed positions.

日本語
気体分子運動論:気体圧力

物質は3つの状態が存在する:固体、液体、および気体。

状態 形状 体積 粒子
固体 固定 固定 密接に詰まり、規則的な配列で振動している
液体 容器の形を取る 固定 密接に詰まっており、配列はないが互いに滑り合うことができる
気体 容器を満たす 変化する 離れており、速く、ランダムな運動

状態変化には、融解(固体→液体)、沸騰・蒸発(液体→気体)、凝縮(気体→液体)、凝固(液体→固体)があります。凝縮では気体粒子の運動が速さが減り、互いに接近して液体を形成します。凝固では液体粒子はエネルギーを失い、固定された位置に落ち着きます。

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
states of matter/steɪts ɒv ˈmætə/ 物質の状態
solid/ˈsɒlɪd/ 固体
liquid/ˈlɪkwɪd/ 液体
gas/ɡæs/ 気体
condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 縮合
solidification/səˌlɪdɪfɪˈkeɪʃn/ 凝固
kinetic particle model/kɪˈnetɪk ˈpɑːtɪkl ˈmɒdl/ 運動粒子モデル
2.1

The kinetic particle model 分子动理论 · ⁨運動論的粒子モデル⁩

English

All matter is made of tiny particles 粒子 that are always moving. This is the kinetic particle model.

  • In a solid the particles only vibrate 振动 about fixed positions.
  • In a liquid they are still close but can slide past each other.
  • In a gas they are far apart and move quickly in random directions.

Temperature and particle energy

When you heat a substance, its particles move faster, so they have more kinetic energy 动能. Temperature 温度 is a measure of the average kinetic energy of the particles.

The lowest possible temperature is absolute zero 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. At this point the particles have the least possible energy.

Gas pressure

Gas particles hit the walls of their container. Each hit is a tiny push. The pressure 压强 of the gas is the total force of these hits per unit area.

  • Heating a gas (at constant volume) makes particles move faster and hit harder and more often, so the pressure rises.
  • Squeezing a gas into a smaller volume (at constant temperature) means more hits per second on each unit of area, so the pressure rises.

For a fixed mass of gas at constant temperature:

$$pV = \text{constant}$$

So if the volume halves, the pressure doubles.

Worked example. A gas has a volume of $200\ \text{cm}^3$ at a pressure of $100\ \text{kPa}$. It is squeezed to $50\ \text{cm}^3$ at constant temperature. Find the new pressure.

Since $pV$ stays constant, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

$$100 \times 200 = p_2 \times 50 \quad\Rightarrow\quad p_2 = \frac{20\,000}{50} = 400\ \text{kPa}$$

Brownian motion

If you look at smoke in air under a microscope, you see tiny specks moving in a jerky, random way. This is Brownian motion 布朗运动. The specks are pushed by fast, invisible air particles hitting them. It is strong evidence for the kinetic particle model.

The kelvin scale

Scientists often use the kelvin 开尔文 (K) temperature scale, which starts at absolute zero. To convert:

$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$

So $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

Worked example. Convert $25\,{}^{\circ}\text{C}$ to kelvin, and $200\ \text{K}$ to degrees Celsius.

$$25 + 273 = 298\ \text{K}, \qquad 200 - 273 = -73\,{}^{\circ}\text{C}$$
日本語

すべての物質は、常に動いている微小な粒子で構成されています。これを運動論的粒子モデルといいます。

  • 固体では、粒子は固定された位置の周りにのみ振動します。
  • 液体では、粒子は依然として互いに近接していますが、滑りながら移動できます。
  • 気体では、粒子は互いに離れており、ランダムな方向に素早く動いています。
3つの粒子箱:固体の整然とした格子、液体の密集した混在、気体の数個の高速粒子
3つの状態における同じ粒子:固体では固定され秩序立てられ、液体では近接するが無秩序、気体では離れて高速

温度と粒子のエネルギー

物質を加熱すると、粒子の運動が速くなり、より多くの運動エネルギーを持ちます。温度とは、粒子の平均運動エネルギーの尺度です。

最も低い可能な温度は絶対零度であり、$-273\,{}^{\circ}\text{C}$です。このとき、粒子は最小限のエネルギーしか持ちません。

長い金属プローブと小さな画面を持つデジタル温度計、および収納ケース
デジタル温度計は、接触した粒子の運動エネルギーを検出することで温度を測定します

気体圧力

気体粒子は容器の壁に衝突します。各衝突は微小な押し付けとなります。圧力とは、これらの衝突による総力を単位面積あたりで表したものです。

箱内であらゆる方向に動き、壁に衝突する気体粒子
気体圧力は、壁の単位面積あたりに作用する多数の粒子衝突による総力です
  • 気体を加熱(定容)すると、粒子の運動が速くなり、より強く、より頻繁に衝突するため、圧力が上昇します。
  • 気体を圧縮して体積を小さくする(定温)と、単位面積あたりの衝突回数が秒当たり増加するため、圧力が上昇します。

一定温度での一定質量の気体について:

$$pV = \text{constant}$$

したがって、体積が半分になれば、圧力は倍になります。

体積に対する圧力の曲線:急激に低下した後水平になり、体積を半分にすると圧力が倍になる点を示す
一定温度では圧力-体積グラフは曲線となり、体積を半分にすると圧力が倍になるため、$pV$は一定の値を保ちます

計算例. ある気体の体積は$200\ \text{cm}^3$、圧力は$100\ \text{kPa}$です。これを一定温度下で$50\ \text{cm}^3$まで圧縮しました。新しい圧力を求めよ。

$pV$は一定であるため、$p_1 V_1 = p_2 V_2$:

$$100 \times 200 = p_2 \times 50 \quad\Rightarrow\quad p_2 = \frac{20\,000}{50} = 400\ \text{kPa}$$

ブラウン運動

空気中の煙を顕微鏡で見ると、微細な粒子が不規則に跳ねるように動くのが見えます。これをブラウン運動といいます。この粒子は、高速で目に見えない空気粒子が衝突して押されているのです。これは運動論的粒子モデルの強力な証拠です。

ジグザグ軌道を描く大きな煙粒子、周囲を高速の空気粒子が衝突している様子
高速の空気粒子からのランダムな衝突が、煙粒子を不規則で跳ねるような軌道に沿って押す

ケルビン温度スケール

科学者たちは、絶対零度を起点とするケルビン (K) 温度スケールをよく用います。変換するには:

$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$

したがって $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$ です。

計算例. $25\,{}^{\circ}\text{C}$をケルビンに変換し、$200\ \text{K}$を摂氏度に変換せよ。

$$25 + 273 = 298\ \text{K}, \qquad 200 - 273 = -73\,{}^{\circ}\text{C}$$
Explore · ⁨探索⁩

Squeeze a gas (Boyle's law) · ⁨ガスを圧縮する(ボーイルの法則)⁩

Slide the piston in to shrink the volume. The same particles get crammed into less space, so they hit the walls more often and the pressure climbs — while pressure × volume stays constant. · ⁨ピストンを奥へ滑らせて体積を小さくすると、同じ数の粒子がより狭い空間に詰まるため、壁への衝突回数が増え圧力が上昇する。このとき、圧力×体積は一定に保たれる。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
particle/ˈpɑːtɪkl/ 粒子として扱う
vibrate/vaɪˈbreɪt/ 振動する
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 運動エネルギー
temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度
absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ 絶対零度
pressure/ˈpreʃə/ 圧力
Brownian motion/ˈbraʊnɪən ˈməʊʃn/ ブラウン運動
kelvin/ˈkelvɪn/ ケルビン
thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ 温度計
insulating material/ˈɪnsjuːleɪtɪŋ məˈtɪərɪəl/ 断熱材
melting/ˈmeltɪŋ/ 融解
boiling/ˈbɔɪlɪŋ/ 沸点
evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/ 蒸発
cools down/kuːlz daʊn/ 冷える
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/ 熱エネルギーの移動
2.2

Thermal expansion 热膨胀 · ⁨熱膨張⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

2.2.1 Thermal expansion of solids, liquids and gases

Core Supplement
1 Describe, qualitatively, the thermal expansion of solids, liquids and gases at constant pressure 3 Explain, in terms of the motion and arrangement of particles, the relative order of magnitudes of the expansion of solids, liquids and gases as their temperatures rise
2 Describe some of the everyday applications and consequences of thermal expansion

2.2.2 Specific heat capacity

Core Supplement
1 Know that a rise in the temperature of an object increases its internal energy 2 Describe an increase in temperature of an object in terms of an increase in the average kinetic energies of all of the particles in the object
3 Define specific heat capacity as the energy required per unit mass per unit temperature increase; recall and use the equation
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Describe experiments to measure the specific heat capacity of a solid and a liquid

2.2.3 Melting, boiling and evaporation

Core Supplement
1 Describe melting and boiling in terms of energy input without a change in temperature 6 Describe the differences between boiling and evaporation
2 Know the melting and boiling temperatures for water at standard atmospheric pressure
3 Describe condensation and solidification in terms of particles
4 Describe evaporation in terms of the escape of more-energetic particles from the surface of a liquid 7 Describe how temperature, surface area and air movement over a surface affect evaporation
5 Know that evaporation causes cooling of a liquid 8 Explain the cooling of an object in contact with an evaporating liquid
日本語

2.2.1 固体・液体・気体の熱膨張

コア サプリメント
1 定圧下における熱膨張を、定性的に説明する 3 温度が上昇した際の固体、液体、気体の膨張の相対的なオーダーの大小について、粒子の運動と配置の観点から説明する
2 熱膨張の日常的な応用例や影響のいくつかを説明する

2.2.2 比熱容量

コア サプリメント
1 物体の温度上昇がその内部エネルギーを増加させることを知る 2 物体の温度上昇を、物体内のすべての粒子の平均運動エネルギーの増加として説明する
3 比熱容量を、単位質量あたり単位温度上昇あたりに必要なエネルギーとして定義し、式
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
を記憶して用いる
4 固体および液体の比熱容量を測定するための実験を説明する

2.2.3 融解、沸騰および蒸発

コア サプリメント
1 温度変化のない状態でのエネルギー投入として融解および沸騰を説明する 6 沸騰と蒸発の違いを説明する
2 標準大気圧における水の融点および沸点を知る
3 粒子の観点から凝縮および凝固を説明する
4 液体表面からの高エネルギー粒子の escape(逸脱)の観点から蒸発を説明する 7 温度、表面積、および表面における空気の流れが蒸発に与える影響を説明する
5 蒸発が液体の冷却を引き起こすことを知る 8 蒸発している液体と接触している物体の冷却を説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

When matter is heated, its particles move more and take up more space, so the material expands. Gases expand the most, then liquids, then solids. This order comes from the forces between the particles: in a solid the particles are held tightly in a lattice 晶格 (a fixed pattern), so they can only vibrate a little more; in a liquid they are held less strongly; in a gas the forces are very weak, so the particles spread out much more.

Everyday examples: gaps are left between railway lines; bridges sit on rollers; a tight metal lid loosens when heated.

日本語

物質を加熱すると、粒子の運動が活発になり、占める空間が大きくなるため、材料は膨張します。気体が最も大きく膨張し、次に液体、最後に固体です。この順序は粒子間の力によるものです。固体では粒子が格子(固定されたパターン)に密に束缚されているため、わずかに振動するだけですが、液体では束縛が弱く、気体では力が非常に弱いため、粒子ははるかに広がりやすくなります。

日常生活の例:レールの間に隙間を入れる、橋をローラーの上に置く、締まりすぎた金属蓋を加熱して緩める。

冷却時は小さな隙間がある2本のレール、加熱すると膨張して接する様子
冷却時にレールの間に小さな隙間を残しておくことで、熱で膨張した際に隙間が閉じ、レールが反り上がらないようにする
Explore · ⁨探索⁩

Heating and specific heat capacity · ⁨加熱と比熱容量⁩

Q = mcΔT

The heat energy needed is proportional to the temperature rise for a given mass of material. · ⁨与えられた質量の材料に対して必要な熱エネルギーは温度上昇に比例する。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ 熱膨張
lattice/ˈlætɪs/ 格子
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2.2

Internal energy and specific heat capacity · ⁨内部エネルギーと比熱容量⁩

English

The internal energy 内能 of an object is the total energy of all its particles. Heating an object raises its internal energy and usually its temperature.

The specific heat capacity 比热容 is the energy needed to raise the temperature of 1 kg of a material by 1 °C.

$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$

A material with a high specific heat capacity (like water) needs a lot of energy to warm up and cools down slowly.

Worked example. How much energy is needed to heat $2.0\ \text{kg}$ of water from $20\,{}^{\circ}\text{C}$ to $70\,{}^{\circ}\text{C}$? The specific heat capacity of water is $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

Rearranging $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ gives $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, with $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

$$\Delta E = 2.0 \times 4200 \times 50 = 420\,000\ \text{J} = 420\ \text{kJ}$$

Measuring specific heat capacity. For a solid, use a metal block with two holes: one for an electric heater 加热器 and one for a thermometer 温度计. Measure the mass $m$ of the block. Switch on the heater for a measured time $t$ and record the current $I$ and the voltage $V$, so the energy supplied is $E = IVt$ (or read the energy from a joulemeter). Record the temperature rise $\Delta\theta$. Then $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. For a liquid, heat a measured mass of the liquid in a container and stir it, so the temperature is the same all through. Wrap the block or the container in insulating material 隔热材料, so less energy escapes to the air.

日本語

物体の内部エネルギーとは、その物体を構成する全粒子の総エネルギーのことです。物体を加熱すると内部エネルギーが増加し、通常は温度も上昇します。

比熱容量とは、1 kgの物質の温度を1 °C上げるために必要なエネルギーのことです。

$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$

比熱容量の大きい物質(水など)は、暖まるのに多くのエネルギーを必要とし、冷えるのも遅いです。

計算例. $2.0\ \text{kg}$の水を$20\,{}^{\circ}\text{C}$から$70\,{}^{\circ}\text{C}$まで加熱するために必要なエネルギーはいくらですか?水の比熱容量は$4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$です。

$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$を変形すると$\Delta E = mc\,\Delta\theta$となり、$\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$を用いて計算します。

$$\Delta E = 2.0 \times 4200 \times 50 = 420\,000\ \text{J} = 420\ \text{kJ}$$

比熱容量の測定. 固体の場合、2つの穴を持つ金属ブロックを使用します。1つは電気ヒーター用、もう1つは温度計用です。ブロックの質量$m$を測定します。ヒーターを所定の時間$t$点灯させ、電流$I$と電圧$V$を記録します。これにより供給されたエネルギーは$E = IVt$(またはジュールメータからエネルギーを読み取る)となります。温度上昇$\Delta\theta$を記録します。そして$c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$を計算します。液体の場合、容器内の所定の質量の液体を加熱して攪拌し、全体で均一な温度にします。ブロックや容器を断熱材で包み、空気への熱損失を減らします。

お湯を沸かす様子:温度とともに内部エネルギーが増加;比熱容量はkg・°Cあたりのエネルギー
お湯を沸かす様子:温度とともに内部エネルギーが増加;比熱容量はkg・°Cあたりのエネルギー
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 内部エネルギー
specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ 比熱容
heater/ˈhiːtə/ ヒーター
2.2

Melting, boiling and evaporation · ⁨融解、沸騰および蒸発⁩

English

Melting 熔化 and boiling 沸腾 need energy, but the temperature stays the same while the state changes. This energy breaks the forces between particles. For water at normal air pressure, melting is at $0\,{}^{\circ}\text{C}$ and boiling at $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

Evaporation 蒸发 is when a liquid changes to a gas at its surface, below the boiling point. The fastest particles escape from the surface. Because the fastest (most energetic) particles leave, the average energy of those left behind falls, so the liquid cools down 冷却. An object touching an evaporating liquid also cools, because the liquid takes energy from it: this is why sweat cools your skin.

Evaporation is faster when the temperature is higher, the surface area is larger, and there is more air movement over the surface.

日本語

融解と沸騰にはエネルギーが必要ですが、状態が変化する間は温度は一定です。このエネルギーは粒子間の力を断ち切ります。大気圧下での水の場合、融解は$0\,{}^{\circ}\text{C}$で、沸騰は$100\,{}^{\circ}\text{C}$です。

時間に対する温度の加熱曲線(融解時および沸騰時の平坦な段差を含む)
物質が溶けたり沸騰したりしている間は、熱エネルギーが加えられていても温度は一定(平坦)である

蒸発とは、液体が沸点以下で表面から気体に変化することです。最も速く動く粒子が表面から逃げていきます。最も高いエネルギーを持つ粒子が去るため、残った粒子の平均エネルギーは低下し、液体は冷却されます。蒸発している液体に触れる物体も冷却されます。これは液体がその物体からエネルギーを奪うためであり、これが汗が肌を冷やす理由です。

蒸発は、温度が高いほど、表面積が大きいほど、表面の空気流動が多いほど速くなります。

Explore · ⁨探索⁩

The heating curve — watch the temperature pause · ⁨加熱曲線 — 温度が一時的に止まる様子を見る⁩

While the substance is melting or boiling the temperature stays flat, even though heat is still going in — the energy breaks bonds instead of warming it. · ⁨物質が融解または沸騰中であっても、熱が入り続けるため温度は一定(平坦)に留まる — エネルギーは分子間の結合を切断するために使われ、温度を上昇させるわけではない。⁩

2.3

Transfer of thermal energy 热能传递 · ⁨熱エネルギーの移動⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

2.3.1 Conduction

Core Supplement
1 Describe experiments to demonstrate the properties of good thermal conductors and bad thermal conductors (thermal insulators) 2 Describe thermal conduction in all solids in terms of atomic or molecular lattice vibrations and also in terms of the movement of free (delocalised) electrons in metallic conductors
3 Describe, in terms of particles, why thermal conduction is bad in gases and most liquids
4 Know that there are many solids that conduct thermal energy better than thermal insulators but do so less well than good thermal conductors

2.3.2 Convection

Core Supplement
1 Know that convection is an important method of thermal energy transfer in liquids and gases
2 Explain convection in liquids and gases in terms of density changes and describe experiments to illustrate convection

2.3.3 Radiation

Core Supplement
1 Know that thermal radiation is infrared radiation and that all objects emit this radiation
2 Know that thermal energy transfer by thermal radiation does not require a medium 4 Know that for an object to be at a constant temperature it needs to transfer energy away from the object at the same rate that it receives energy
3 Describe the effect of surface colour (black or white) and texture (dull or shiny) on the emission, absorption and reflection of infrared radiation 5 Know what happens to an object if the rate at which it receives energy is less or more than the rate at which it transfers energy away from the object
6 Know how the temperature of the Earth is affected by factors controlling the balance between incoming radiation and radiation emitted from the Earth’s surface
7 Describe experiments to distinguish between good and bad emitters of infrared radiation
8 Describe experiments to distinguish between good and bad absorbers of infrared radiation
9 Describe how the rate of emission of radiation depends on the surface temperature and surface area of an object

2.3.4 Consequences of thermal energy transfer

Core Supplement
1 Explain some of the basic everyday applications and consequences of conduction, convection and radiation, including: (a) heating objects such as kitchen pans (b) heating a room by convection 2 Explain some of the complex applications and consequences of conduction, convection and radiation where more than one type of thermal energy transfer is significant, including: (a) a fire burning wood or coal (b) a radiator in a car
日本語

2.3.1 伝導

コア サプリメント
1 良好な熱伝導体および不良な熱伝導体(断熱材)の性質を示すための実験を説明する 2 原子または分子格子振動、ならびに金属伝導体における自由(非局在化)電子の移動の観点から、すべての固体における熱伝導を説明する
3 粒子の観点から、なぜ熱伝導が気体および大多数の液体において不良であるかを説明する
4 良好な熱伝導体ほどではないものの、断熱材よりも熱エネルギーを良く伝導する固体が多数存在することを knowsる

2.3.2 対流

コア サプリメント
1 対流が液体および気体における重要な熱エネルギー移動方法であることを知る
2 密度変化の観点から液体および気体における対流を説明し、対流を示すための実験を説明する

2.3.3 放射

コア サプリメント
1 熱放射が赤外線放射であり、すべての物体がこの放射を放出することを Knowる
2 熱放射による熱エネルギー移動には媒体が必要ないことを knowる 4 物体が一定温度で保たれるためには、物体が受けるエネルギーと同じ速度でエネルギーを外部へ传出する必要があることを knowる
3 表面の色(黒または白)および質感(無光沢または光沢)が赤外線放射の放出、吸収、反射に与える影響を説明する 5 物体が受けるエネルギーの速度が、外部へ传出するエネルギーの速度より小さい、あるいは大きい場合に物体に何が起こるか knowる
6 入射放射と地球表面からの放射のバランスを制御する要因によって地球の温度がどのように影響されるか knowる
7 赤外線放射の良好な放射体と不良な放射体を区別するための実験を説明する
8 赤外線放射の良好な吸収体と不良な吸収体を区別するための実験を説明する
9 放射の放出速度が物体の表面温度および表面積にどのように依存するかを説明する

2.3.4 熱エネルギー移動の結果

コア サプリメント
1 伝導、対流、および放射の基本的な日常的な応用例および結果を以下のように説明する:(a) 調理器具などの加熱 (b) 対流による部屋暖房 2 複数の熱エネルギー移動タイプが重要な場合における伝導、対流、および放射の複雑な応用例および結果を以下のように説明する:(a) 木材または石炭の燃焼 (b) 自動車のラジエーター

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Thermal energy moves from hotter places to colder places in three ways.

Conduction

Conduction 热传导 is the transfer of thermal energy through a material without the material moving. The particles in a solid sit in a lattice. Heated particles vibrate more and pass the energy to their neighbours. In metals, free electrons (delocalised electrons 自由电子) carry energy quickly, so metals are good thermal conductors 热导体.

Materials that conduct badly (like air, wood and plastic) are thermal insulators 热绝缘体.

Testing conductors. Fix a drawing pin with a little wax to one end of rods of copper, iron, glass and wood, and heat the other ends equally. The pin drops first from the copper rod, then from the iron rod, and last (or never) from the glass and the wood: metals are the best conductors. A metal rod held in a flame soon feels hot; a wooden rod does not.

Gases and most liquids are bad conductors because their particles are far apart and only pass on energy when they happen to collide. There is no lattice and there are no free electrons.

Convection

Convection 对流 happens in liquids and gases. When a fluid is heated it expands, becomes less dense, and rises. Cooler, denser fluid sinks to take its place. This circle of moving fluid is a convection current.

Showing convection. Drop a crystal of purple potassium permanganate 高锰酸钾 into a beaker of water and heat the beaker gently under the crystal. A coloured stream rises above the heat, spreads across the top and sinks at the sides. In air, a lit candle under one chimney of a smoke box pulls smoke down the other chimney and up above the flame.

Convection cannot happen in a solid because the particles cannot move from place to place.

Radiation

Thermal radiation 热辐射 is energy carried by infrared 红外线 waves. All objects emit it, and it needs no material to travel through — it can cross empty space (this is how energy reaches us from the Sun).

A surface that is dull 暗淡 and black is a good emitter 发射体 and a good absorber 吸收体 of infrared. A surface that is shiny and white is a poor emitter and a good reflector 反射体.

Comparing surfaces. Fill two cans, one dull black and one shiny silver, with hot water at the same temperature, and put a thermometer in each. The black can cools faster, so it is the better emitter. Then put the same two cans, full of cold water, at equal distances from a heater. The black can warms faster, so it is the better absorber. A Leslie cube 莱斯利立方体 (a metal box with one side of each finish) shows the same thing.

An object stays at a constant temperature when it emits energy at the same rate as it absorbs energy. The rate of emission is greater when the surface is hotter and larger. If an object absorbs energy faster than it emits it, its temperature rises; if it emits faster than it absorbs, its temperature falls.

The Earth's temperature. The Earth absorbs radiation from the Sun and emits infrared radiation back into space. Its average temperature stays constant only when the two rates are equal. Anything that changes this balance changes the temperature. Gases in the atmosphere 大气 such as carbon dioxide absorb some of the emitted infrared and send part of it back down, so more of these gases warms the Earth. Clouds and ice reflect incoming sunlight, so less ice means more energy is absorbed, and the Earth warms further.

Everyday examples

  • A kitchen pan has a metal base that conducts energy quickly to the food, and a plastic or wooden handle that is an insulator, so you can hold it.
  • A radiator 散热器 heats a room by convection: the air next to it warms, rises, and cooler air flows in to take its place, so the whole room warms.
  • Sitting near a fire you feel its radiation on your face at once; the air between you and the fire is a poor conductor.
  • A vacuum flask 保温瓶 keeps a drink hot by stopping all three transfers: the vacuum between its double walls stops conduction and convection, and its shiny silver surfaces stop radiation.
日本語

熱エネルギーは、 hotterな場所から colderな場所へ、3つの方法で移動します。

伝導

伝導とは、物質自体が移動せず、物質内を熱エネルギーが移動する現象です。固体内の粒子は格子状に配置されています。加熱された粒子はより激しく振動し、エネルギーを隣接する粒子に伝えます。金属では、自由電子(非局在電子)が素早くエネルギーを運ぶため、金属は優れた熱伝導体です。

熱を伝えにくい材料(空気、木材、プラスチックなど)は熱絶縁体です。

伝導体のテスト。 クロム、鉄、ガラス、木材の棒の一方の端にワックスでピンを固定し、他方の端を均等に加熱します。ピンはまずクロムの棒から落ち、次に鉄の棒から落ち、最後に(または全く落ちず)ガラスと木材の棒から落ちます:金属が最も優れた伝導体です。炎に持った金属の棒はすぐに熱くなり、木材の棒はそうなりません。

気体とほとんどの液体は伝導性が悪いのは、粒子間隔が広く、偶然衝突した時にのみエネルギーを伝えるためです。格子構造がなく、自由電子も存在しません。

片側を加熱された金属棒(粒子が振動し、エネルギーを冷たい側へ伝える様子)
伝導において、振動する粒子が隣接する粒子にエネルギーを渡すため、エネルギーは熱い側から冷たい側へ流れ

対流

対流は液体と気体で起こります。流体が加熱されると膨張し、密度が低くなって上昇します。冷たくて密度の高い流体が下降してその位置を占めます。この流体の循環運動を対流電流といいます。

下部から加熱された水のビーカー(赤い矢印で温かい水が上昇し、冷たい水が下降する様子を示す)
加熱された流体は上昇し、冷たい流体は下降することで対流電流が生じます

対流の実験。 ビーカーの水に紫色の過マンガン酸カリウムの結晶を入れ、その直下を弱く加熱します。熱の上で色付きの流れが上昇し、上部に広がり、側面で下降します。空気中では、煙箱の片側のchimneyの下に燃えるろうそくを置くと、煙がもう片方のchimneyを下りて、炎の上へと上がります。

固体では粒子が場所を変えられないため、対流は生じません。

放射

熱放射は赤外線波によって運ばれるエネルギーです。あらゆる物体はこれを放出し、移動するために物質は必要ありません(太陽からのエネルギーが私たちに届くのもこのためです)。

ざらつきのある黒い表面は赤外線の良好な放射体かつ良好な吸収体です。光沢のある白い表面は poor radiation emitter で、良好な反射体です。

無数の赤外線波を放出する黒い表面と、数少ない赤外線波しか放出しない光沢のある表面
ざらついた黒い表面は、光沢のある白い表面よりもはるかに良好に赤外線を出し(吸収し)ます

表面の比較。 同一温度の熱湯で2つの缶(1つはざらついた黒、もう1つは光沢のある銀)を満たし、それぞれに温度計を入れます。黒い缶は早く冷えるため、良好な放射体です。次に、同じ2つの缶を冷水で満たし、ヒーターから等距離に置きます。黒い缶は早く暖まるため、良好な吸収体です。レスリーキューブ(各面が異なる仕上げの金属箱)でも同様のことが確認できます。

一つの手の3枚の写真:通常の光、 thermal camera で温かく黄色く輝く様子、そして冷たく暗い様子
熱カメラ(赤外線カメラ)は、温かい手から出ている赤外線を実写に変換します;明るさが高温を示します

ある物体がエネルギーを吸収する速度と同じ速度でエネルギーを放出している場合、その温度は一定に保たれます。放射速度は表面が高温で広いほど大きくなります。物体がエネルギーを吸収する速度が放射する速度より速ければ温度は上昇し、逆であれば温度は低下します。

地球の温度。 地球は太陽からの放射を吸収し、赤外線を宇宙空間へ放出します。この2つの速度が等しいときだけ平均温度は一定になります。このバランスを変えるものはすべて温度を変化させます。大気中の二酸化炭素などのガスは放出された赤外線の一部分を吸収し、その一部を地表に戻すため、これらのガスが増えると地球は暖かくなります。雲や氷は入射日光を反射するため、氷が減ると吸収されるエネルギーが増え、地球はさらに暖かくなります。

日常の例

  • 調理用鍋は金属底が熱を素早く食品に伝導し、プラスチックまたは木製の取っ手が絶縁体であるため、持ち運べます。
  • ラジエーターは対流によって部屋を暖めます:周囲の空気が暖まって上昇し、冷たい空気が流入してその位置を占めるため、部屋全体が暖まります。
  • 火のそばに座っていると、顔にその放射を即座に感じますが、あなたと火の間にある空気は伝導性が悪いです。
  • 保温瓶は、熱の3つの移動すべてを防ぐことで飲み物を温かく保ちます。二重壁の間の真空は伝導と対流を遮断し、光沢のある銀色の表面は放射を遮断します。
Explore · ⁨探索⁩

Heat transfer lab · ⁨熱移動の実験⁩

Compare the routes by which thermal energy moves. · ⁨熱エネルギーが移動する経路を比較してください。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
conduction/kənˈdʌkʃn/ 媒体を必要としない熱移動の方法は
delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 非局在電子
thermal conductor/ˈθɜːml kənˈdʌktə/ 熱伝導体
thermal insulator/ˈθɜːml ˈɪnsjuːleɪtə/ 熱絶縁体
convection/kənˈvekʃn/ 伝導
potassium permanganate/pəˈtæsɪəm pəˈmæŋɡəneɪt/ 過マンガン酸カリウム
thermal radiation/ˈθɜːml ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 熱放射
infrared/ˌɪnfrəˈred/ 赤外線
dull/dʌl/ 光沢のない
emitter/ɪˈmɪtə/ 発射体
absorber/əbˈsɔːbə/ 吸熱体
reflector/rɪˈflektə/ 反射体
Leslie cube/ˈlesli kjuːb/ レスリーキューブ
atmosphere/ˈætməsfɪə/ 大気中
radiator/ˈreɪdɪeɪtə/ ラジエーター
vacuum flask/ˈvækjuːm flæsk/ 真空フラスコ
Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
2.3

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • In the kinetic particle model, heating a gas makes its particles move faster and hit the walls harder and more often, so the pressure rises. The particles themselves do not get bigger.
  • Evaporation happens only at the surface and at any temperature; boiling happens throughout the liquid at one fixed temperature. Evaporation cools the liquid left behind, because the fastest particles escape.
  • During melting and boiling the temperature stays constant even though energy is still being supplied — that energy breaks the forces between particles.
  • For specific heat capacity use $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, where $\Delta\theta$ is the change in temperature, not the final temperature.
  • Dull black surfaces are the best emitters and absorbers of infrared; shiny, light surfaces are the best reflectors. Convection needs a fluid to flow, so it cannot happen in a solid.
日本語
  • 運動粒子モデルでは、気体を加熱すると粒子の速さが増して壁に強く、より頻繁に衝突するため圧力が上昇します。粒子自体の大きさは変わりません。
  • 蒸発は表面のみで起こり、あらゆる温度で発生できます。沸騰は一定の温度で液体全体で起こります。蒸発は最も速い粒子が逃げるため、残った液体を冷却します。
  • 融解や沸騰中、エネルギーが供給され続けていても温度は一定のままです。このエネルギーは粒子間の力を破壊するために使われます。
  • 比熱容量には $\Delta E = mc\,\Delta\theta$ を用います。ここで $\Delta\theta$ は最終温度ではなく、温度の変化量です。
  • 無地の黒色表面は赤外線の最も良い放射体および吸収体であり、光沢のある淡色表面は最も良い反射体です。対流は流体が流れることを必要とするため、固体では起こりません。

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