熱に関する問題

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2019年灘中学の問題です。
金属製の大きなコップに水を入れ,実験用ガスコンロを用いて加熱し,水温の変化を調べました。下の表はその実験結果です。なお,ガスコンロは1台で,〔実験1〕と〔実験2〕では水の量だけを変えて,同じコップを用いて同じ時間加熱しました。加熱により水の量は変化せず,ガスコンロで加熱するときは常に同じ大きさの炎に保ちました。

この実験の間,金属製コップの温度はつねに水温と同じでした。
 さらに,〔実験1〕と〔実験2〕を続けて行った後,ガスコンロのガスボンベの重さを測定すると,〔実験1〕の開始前に比べて2.0g軽くなっていました。このガスボンベの容器には,可燃性ガス「ブタン」と書いてありました。そこでブタンの燃焼をくわしく調べると,ブタン1.0gが燃焼すると,二酸化炭素3.0gと水1.6gだけが生じることがわかりました。

問1 実験後のガスボンベに手で触れると,実験前とは温度が異なっていました。その理由を説明した次の文章中①~④の( )内にあてはまるものをそれぞれ選び,記号で答えなさい。
 ガスボンベ内では,ブタンはほとんどが①(ア固体,イ液体,ウ気体)の状態で存在する。ガスコンロのつまみをひねると,ブタンは②(ア固体,イ液体,ウ気体)となりボンベから出てくる。このとき,熱を③(ア発生,イ吸収)するので,ガスボンベの温度は実験前に比べて④(ア高く,イ低く)なる。

問2 実験に用いた金属製コップを温めるのは,何gの水を温めるのに相当しますか。

問3 〔実験1〕で用いた金属製コップに水600gを入れ,〔実験1〕と同じ時間だけ実験用ガスコンロで加熱すると,水温は何℃になりますか。小数第一位を四捨五入して整数で答えなさい。なお,加熱前の金属製コップと水の温度はいずれも20℃でした。

問4 〔実験1〕と〔実験2〕を続けて行ったとき,ブタンの燃焼につかわれた空気中の酸素は合計で何gですか。

問5 〔実験1〕で用いた金属製コップに水180gを入れ実験用ガスコンロで加熱すると,ブタンの燃焼により二酸化炭素が1.2g生じました。このとき,水温は何℃になりますか。小数第一位を四捨五入して整数で答えなさい。なお,加熱前の金属製コップと水の温度はいずれも20℃でした。

【解説と解答】
問1 ブタンはボンベ内は液体です。コンロのつまみをひねるとブタンは気体となって出てきて、気化しますから熱を吸収するので温度は低くなります。
(答え)① イ② ウ③ イ④ イ

問2 200gの時は(容器+200)×23=容器×23+4600カロリーを与えています。400gの時は(容器+400)×13=容器×13+5200カロリー与えています。
二つの熱量は同じですから、容器×(23-13)=600カロリーになるので容器は60gの水と等しくなります。
(答え)60

問3 与えた熱量は260×23=5980 5980÷660=9.06より29℃
(答え)29

問4 ブタン1gと酸素が加わって二酸化炭素3.0gと水1.6gができますから使われた酸素は3.0+1.6-1.0=3.6gです。
ブタンは2g使われているので、酸素は3.6×2=7.2g使われました。
(答え) 7.2

問5 ブタンの燃焼で二酸化炭素が1.2g生じたので、5980:3.0=得られた熱量:1.2
5980÷2.5=2392
2392÷(60+180)=9.96≒10℃から20+10=30℃
(答え)30


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