33. 熱がかくれている−−−ミクロ・ポテンシャル
［授業のねらい］
物質が相変化（状態変化）や化学変化をする場合には，潜熱とか反応熱とかいう「熱」が出たり入ったりします。ここでいう熱は，限定したいい方の熱エネルギーで，熱力学に関する熱概念とは異質なものてすが，歴史的には重要な意味をもちます。ここではそのようなかくれた「熱」について学習します。
［授業の展開］
前回，原子や分子の熱運動のエネルギーを熱エネルギーと呼ぶことがある，ということに触れました。
熱運動エネルギーは原子や分子の乱雑な運動エネルギーてすが，物体の内部エネルギーには，このような運動エネルギーのほかに，分子や原子の位置エネルギーもあるはずです。
≪問１≫ 水を熱していって100℃になると，もうそれ以上に温度は上がりません。熱の効果はどうなったのでしょう。
≪実験１≫ 水と氷を混ぜて放置しておき，氷がなくなったら追加して，氷が存在している状熊で水の温度を測ってみましょう。
次に，これをよくかき混ぜなから，静かに熱して温度を測ってみましょう。
加熱の効果はどうなったのでしょう。
水の融解熱は80cal/g，気化熱は540ca1/gと習ってきたことと思いますが，これを測ってみましょう。
≪実験２≫ 冷蔵庫から氷を取り出して，しばらく放置しておきます。氷の温度を0℃ にするためです。氷をよく砕いて金属の鍋に入れて，火にかけ箸でよくかき混ぜながら時間を測ります。水が融けきるまでの時間をt１，沸騰が始まるまでの時間をt２，水分がなくなるまでの時間をt３
とします。 t１:t２:t３＝80:100:540 が期待されます。この実験はかなりラフな実験ですから，あまり神径質にならないでやってみましょう。
融解が終わるまではいくら熱しても水の温度は0℃ のまま上がりませんし，沸騰が終わるまではいくら熱しても水の温度は100℃ のままで上がりません。実際には水の各部に温度勾配があります（これがなけれは，熱が「伝わる」はずがありません）が，いまこのことは論じません。加えた熱が物質の温度の上昇に寄与しないので，どこかへ隠れてしまったという意味て，融解の潜熱，気化の潜熱と呼ばれました。
融解と凝固では潜熱の大きさは同じです。気化と液化（蒸発と凝縮）も同じです。昇華の場合も潜熱があります。このように，相変化に伴う熱エネルギーを，一般に潜熱といいます。
≪実験２≫の一つのデータを示しておきます。沸騰の時点が少々わかりづらいのが欠点です。t１:t２:t３＝58s :65s:353s＝0.89:1:5.43
≪問２≫
自然現象や生活経験のなかの潜熱について述べなさい。
雪の夜は温かい。固形燃料が燃えているとき缶の底は冷たくなっている。夏でも槙物のあるところは涼しい（葉の蒸散作用）。夏，庭に打ち水をすると気温が下がる。過冷却の水が凍ると温度が上がる。汗が体温調節をしている。ウィスキーに入れた0℃
の氷が融けるとマイナスの温度になることがある，などなど。
これに対して，化学変化に伴う熱エネルギーは反応熱といいますが，これも「潜熱」であることには違いありません。
≪実験３≫ 青色の結晶硫酸銅を砕いて試験管に入れ，口を斜め下にしてバーナーて加熱します。結晶水がとれると，白色の無水硫酸銅になります。冷えてから少量の水をこれに注ぎます。感想をいいなさい。
“え−ッ，この熱どこから来だの？” “さっきバーナーで加えた熱が水と一緒に戻ってきたんだ” などという感想が出ましたか？
無水硫酸銅と水の組がもっていたミクロの位置エネルギーが，ミクロの運動エネルギーに転化(温度上昇)したのは，地球と棚ボタの組がもっていたマクロな位置エネルギーが，落下というマクロな運動エネルギーに転化したのに似ています。 （図p153）
後者は，乱雑な運動エネルギーになるまえに，整然とした運動エネルギーの段階があったのに対して，前者の運動は初めから，分子・原子の個々の衝突だったというわけてす。また，後者が重力によるのに対して，前者は電磁気的な力によるものです。
≪問４≫
反応熱の例をあげなさい。
溶解熱，水和熟，中和熱，燃焼熱，解離熱，イオン化エネルギー，…。
ガス，石油，石炭など燃料が燃えたり，金属が錆びたり燃えたり，食品がからだの中で燃えたり，有機物が分解したりするのは，化学ポテンシャルが吐きたされる例です。光合成は，水と二酸化炭素の分子を解きほぐして，有機物という分子と酸素という分子が，ポテンンャルをもつようにつくりなおしたのてす。このように植物は有機物をつくりましたが，人間は金属をつくりました。金属という物質群も，それをつくっている原子のあいだにポテンシャルエネルギーを溜め込んだ「運動凝縮体」です。エネルギーを放出するときには，酸素とか水とかの相手が必要です。有機物と金属は広義の「潜熱貯蔵庫」です。
(図p154) 参考
常温における熱運動のエネルギーは，２原子のあいたのポテンシャルエネルギーを表すモース曲線の底近くにおける原子の単振動のエネルギーと みると，その大きさは
1/20〜1/30eV（エレクトロンボルト）程度です。
これに対して相変化のエネルギーは，原子がこの穴を駆け上がる（あるいは駆け下りる）程度なのて，数分の１eVというところです。
化学変化では，原子間の結合がより強くなり，ポテンシャルの穴がより深くなるのて，1eV程度になります。（27章参照）
ここで，熱の量の測り方をみておきます。物体に外から熱が流入すると物体の温度が上がり，物体から外に熱が流出すると物体の温度が下がります。温度の異なる水を混合したときの水の温度変化から，水のもっている熱運動のエネルギーは質量と温度の積に関係することがわかります。 ただし，温度に摂氏目盛りを使うと，熱運動のエネルギーが負になってしまうことがあるので，そのような不都合がないような温度を使えばよいのてす。
しかし，どのような温度を使っても，水から出入りした熱運動のエネルギーは質量と温度差の積に比例することはわかります。水を標準にして，1gの水の温度が１Ｋ変化したときに出入りした熱量を1
cal と決めます。水を標準にとった理由は，水は身辺にいくらでもあり，また水は「熱的慣性」が大きくて温まりにくく冷めにくいということからです。これを比熱が大きいといいます。上で考察したように，熱運動エネルギーは重ね合わせが成立するので，熱的慣性の大きさは物質の質量にも比例します。そこで，比熱と質量の積を熱容量と呼んて「熱的慣性」の大きさを表します。
水は普通の物質のうちては，比熱が最も大きく，したがって海水はその質量の多さとあいまって，膨大な熱容量をもっています。これが，地球上 の温度変化を和らげています。
≪問５≫
水の比熱が大きいことがわかる例をあげなさい。
豆腐は，夏は＜冷や奴＞として，冬は＜湯豆腐＞として季節の料理となる。湯たんぽは保温時間が長い。大陸性気候と海洋性気候の違い。冷蔵庫の「水」は冷えにくい。生物の体温の恒常性。地球は水の惑星。恒温槽には水を使う。
≪問２≫のウィスキーの話を補完すると，アルコールの水溶液は0℃ になっても凍りません。さらに冷やせは，マイナスの温度になります。 0℃のアルコール水溶液に0℃の氷を入れると，氷が氷のままではいられないのは上述のとおりです。そのため氷は0℃のアルコール水溶液から融解熱を奪って融け，アルコール水溶液の温度はマイナスになります。
[まとめ]
1 相変化におけるエネルギーの出入りを潜熱といいます。
2 化学変化におけるエネルギーの出入りを反応熱といいます。
3 物質の熱的慣性を比熱や熱容量で表します。
4 水の比熱は大きく，地球上の気候に大きな影響を与えています。
5 分子・原子のミクロの運動エネルギーは熱運動エネルギーてす。
6 分子・原子のミクロの位置エネルギーは相変化や化学変化の状態エネルギーです。
7 植物は有機物をつくり，人間は金属をつくりました。
