モル熱容量：定義、単位、測定方法、温度依存性

関連する量

モル熱容量は、単位質量当たりに必要な熱量を表す比熱容量とは異なる。比熱容量の単位はJ・kg⁻¹・K⁻¹である。気体では、定圧での熱容量Cp、または定積での熱容量Cvがよく用いられる。理想気体では、Cp－Cv＝Rの関係が成り立つ。ここでRは気体定数であり、約8.314 J・mol⁻¹・K⁻¹である。

測定方法

モル熱容量を直接実験的に求めるには、既知量の物質に既知量の熱を与え、その結果生じる温度変化を記録する。この際、熱損失および測定装置自体の熱容量を考慮する必要がある。代表的な方法には、次のものがある。

• 簡易な実験室的方法：例えば液体試料では、校正済みのエネルギー表示を備えた浸漬ヒーターを、質量を測定した試料に入れる。ヒーターの表示からQを得て、試料の質量とモル質量から物質量を求める。温度を均一にするためにかき混ぜながら、一定の間隔で温度を記録する。
• 熱量計による測定：断熱性の高い熱量計は、周囲との熱交換を低減する。熱量計自体の熱容量が既知の場合は、計算に含めなければならない。ボンベ熱量計は通常、燃焼で放出されるエネルギーの測定に用いられる。他の相の物質のモル熱容量には、実験条件を制御するため、断熱型または等温壁型などの特別に設計された熱量計が使用される。
• 補正と校正：精度を高めるため、周囲へ失われる熱、容器やかき混ぜ器に吸収される熱、ならびに非理想的な挙動を補正する。既知の熱容量をもつ物質による校正と、測定の反復も標準的に行われる。

代表的な値と温度依存性

モル熱容量は、物質、相（固体・液体・気体）、および温度によって変化する。多くの単純な固体は室温で3R、すなわち約25 J・mol⁻¹・K⁻¹に近いモル熱容量を示す。これはデュロン＝プティの法則として要約される。一方、固体の値は量子効果のため低温ではこれより小さくなる。液体の水は25℃付近で約75 J・mol⁻¹・K⁻¹という比較的大きなモル熱容量をもち、そのため温度変化を効果的に緩和する。

モル熱容量は温度と圧力の関数であるため、公表される値には通常、測定条件が併記される。例えば、「定圧、25℃」のように示される。