第109回薬剤師国家試験 問96 熱容量の定義と理想気体の関係

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■ 正解
1、4


■ 問題の本質(熱容量・モル熱容量・定圧/定容)

本問は、熱容量とモル熱容量の定義、単位、そして理想気体における定圧・定容モル熱容量の関係を正しく理解しているかを問う問題である。

キーワード:

  • 熱容量:物質の温度を 1 K 上げるのに必要な熱量
  • モル熱容量:1 mol あたりの熱容量
  • 定容熱容量 C_V、定圧モル熱容量 C_{p,m}
  • 理想気体では C_{p,m} > C_{V,m}

■ 各選択肢の検証

● 1 モル熱容量は 1 mol の物質の温度を 1 K 上昇させるのに必要な熱である(正)
モル熱容量の定義そのもの。

→ 正しい。


● 2 熱容量の単位は J・K である(誤)
熱容量の正しい単位は:

\text{J K}^{-1}

「J×K」ではなく「J/K」。 → 記述は誤。


● 3 C_V は、C_V = \frac{dH}{dT} により求められる(誤)
定容熱容量は:

C_V = \left( \frac{dU}{dT} \right)_V

で定義される(U:内部エネルギー)。

一方、エンタルピー H を使うのは定圧熱容量:

C_p = \left( \frac{dH}{dT} \right)_p

→ 記述は誤。


● 4 理想気体では、C_{V,m} < C_{p,m} である(正)
理想気体では:

C_{p,m} – C_{V,m} = R

が成り立つため、必ず:

C_{p,m} > C_{V,m}

→ 記述は正しい。


● 5 理想気体の C_{V,m} は、\frac{1}{2} R である(誤)
理想気体のモル定容熱容量は自由度 f に依存:

C_{V,m} = \frac{f}{2} R

一原子分子なら f = 3 → \frac{3}{2}R

→ 一般に \frac{1}{2}R ではないため誤。


■ まとめ

  • モル熱容量の定義は正しい(1:正)
  • 熱容量の単位は J/K(2:誤)
  • 定容熱容量は内部エネルギーの温度微分(3:誤)
  • 理想気体では C_{p,m} > C_{V,m}(4:正)
  • C_{V,m} = \frac{f}{2}R(5:誤)

正解は 1 と 4

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