定積比熱と定圧比熱の違いと単位・大きいのはどっち?

比熱の意味、定積比熱と定圧比熱の定義などをご紹介します。
定積比熱Cvと定圧比熱Cpを比べると、定圧比熱の方が大きくなります。つまり、Cp>Cvの関係があります。

比熱とは

温まりにくさを意味します。比熱が大きいほど、温まりにくくなります。
水の比熱は空気の4倍なので、温度を上げるためには空気よりも4倍のエネルギーが必要になります。

より具体的に比熱というのは、1gの物質の温度を1K(1℃)上昇させるために必要な熱量(エネルギー)で、物質に固有の物性値です。なお、1℃上昇と1K(ケルビン)上昇は同じです。

単位

比熱の単位は様々な表し方があるので注意が必要です。例えば、J(ジュール)ではなくcal(カロリー)、K(ケルビン)ではなく℃などです。その他、k(キロ)があったりなかったりという違いもあります。いずれにしても、物質の温度を上昇させるために必要なエネルギーという意味では同じです。
単位の例は以下の通りです。

  • [kJ/(kg・K)]
  • [kJ/(kg・℃)]
  • [cal/(K・g)]

空気、水、氷、水蒸気の比熱は以下の通りです。同じ水でも固体、液体、気体などの状態によって比熱は異なります。また、グラフに示す通り、温度によって比熱は変化します。

物質定圧比熱
[kJ/kgK]
空気1.005
4.178
2.114
水蒸気1.884
比熱:引用

比熱の種類

比熱には定積比熱Cv(定容比熱)と定圧比熱Cpがあります。

定積比熱とは

定積比熱Cvは体積を一定にして求めた比熱です。Cv、内部エネルギーu、温度Tは次の関係にあります。下の式は温度の変化によってどれだけ内部エネルギーが変化するかを示しています。
内部エネルギーは物質を構成する分子が持つ力学的エネルギーの総和です。物質に蓄えられるエネルギー(運動エネルギーと位置エネルギー)ともいえます。

\[ du=Cv\times dT \]

定圧比熱とは

定圧比熱Cpは圧力を一定にして求めた比熱です。Cp、エンタルピーh、温度Tは次の関係にあります。下の式は温度の変化によってどれだけエンタルピーが変化するかを示しています。
エンタルピーはh=u+pVです。内部エネルギーu、圧力p、体積Vを合わせた状態量です。

\[ dh=Cp\times dT \]
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