比熱とは？基礎知識・単位・計算例と熱容量の違いをわかりやすく解説

比熱とは何かを基礎から解説。単位・計算例や熱容量との違いを図解と例題でやさしく理解できる実践ガイド。

比熱（s）は熱容量の質量あたりの値であり、熱力学的な性質の一つです。具体的には、ある物質の「1単位の質量」を「温度を1度（1 K）上げる」ために必要な熱量を表します。物質ごとに比熱は異なり、熱をどれだけ吸収しやすいか（または蓄えやすいか）を示す指標となります。なお、熱量は、物質やシステムの温度を上昇または下降させた結果、障壁を越えてエネルギーが付加または除去されることを表す量であり、比熱や熱容量はそのエネルギーの変化と温度変化の関係を定量化するための物理量です。

定義と式

• 比熱（specific heat）：単位質量あたりの熱容量で、通常は s または c で表されます。式は
  Q = m · s · ΔT
  ここで Q は与えた（または取り除いた）熱量、m は質量、ΔT は温度変化です。
• 熱容量（heat capacity, C）：系全体に対する熱容量で、物質の量に比例する「広がった（外延的）」な量です。熱容量と比熱の関係は
  C = m · s
  となります。
• モル比熱（molar heat capacity）：物質1モル当たりの熱容量で、単位は J/(mol·K) です。記号は Cm などを用います。

単位

• 国際単位系（SI）： J/(kg·K)
• 工学・化学でよく使われる単位： J/(mol·K)（モル比熱）
• 熱量計算で用いられる古い単位： cal/(g·°C)（1 cal ≒ 4.184 J）

定圧比熱と定容比熱

• 定圧比熱（cp）：圧力一定の条件での比熱。気体では cp > cv（外部に仕事をするためのエネルギーが追加で必要）となります。
• 定容比熱（cv）：体積一定の条件での比熱。固体や液体では体積変化が小さいため、おおむね cp ≒ cv と扱えることが多いです。

比熱の物理的意味と温度依存性

• 比熱はその物質が温度変化に対してどれだけ「熱を貯める」能力があるかを示します。比熱が大きい物質は同じ温度上昇に対して多くの熱量を必要とします（例：水は比熱が大きいため温まりにくく冷めにくい）。
• 比熱は温度によって変わることが多く、特に低温領域や相変化（融解・気化）付近では大きく変化します。相変化の際には比熱だけでなく潜熱が支配的になります。

比熱と熱容量の違い（要点）

• 比熱（s, c）：単位質量あたりの値で、物質固有の「強度」のようなもの（密度に依存しない指標）。
• 熱容量（C）：系全体の値で、質量や量に依存する（C = m·s）。
• 簡単に言うと、比熱は「単位量あたりどれだけ熱を蓄えられるか」、熱容量は「その物体全体でどれだけ熱を蓄えられるか」を表します。

計算例

例：質量 2.0 kg の水を 20.0 °C から 40.0 °C に温めるのに必要な熱量を求める。

• 水の比熱（近似） s = 4184 J/(kg·K)
• ΔT = 40.0 − 20.0 = 20.0 K
• Q = m · s · ΔT = 2.0 kg × 4184 J/(kg·K) × 20.0 K = 167,360 J ≒ 167.4 kJ

測定方法と注意点

• 比熱はカロリメトリー（熱量計）や熱伝導実験、装置内での温度上昇を測ることで求められます。
• 実験では熱損失や混合による誤差、温度依存性、相変化などに注意する必要があります。
• 物質の純度や状態（固体、液体、気体）、圧力条件によって得られる値が変わります。

まとめ

• 比熱は物質ごとの「単位質量当たりの熱容量」で、温度変化に対するエネルギーの受け取りやすさを示します。
• 熱容量は系全体の量であり、比熱と質量の積として表されます。
• 定圧比熱と定容比熱は条件により異なり、気体では差が顕著です。温度や相変化による依存性にも注意が必要です。

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