GSO002 問題1
問題文
究極のドリップコーヒー:理想の湯温へのエネルギーパス
問題文
ある熟練のバリスタは、コーヒーの風味を最大限に引き出すため、抽出に使う水の温度を厳密に管理しています。彼は、精密なヒーターを用いて一定量の水を加熱し、その際の「加えた熱量 Q」と「水の温度 T」の関係をグラフに記録しました。
グラフは横軸に加えた熱量 Q [J]、縦軸に水の温度 T [∘C] を取った直線(一次関数)となっています。記録によると、加熱を開始する直前(Q=0 [J])の温度は Tstart であり、ある熱量 Qtotal を加えたとき、温度はコーヒー抽出に理想的な Tend に達しました。
このとき、ヒーターが水に与えた熱量 Qtotal [J] を求めてください。ただし、加熱中の水の蒸発や外部への熱逃げは無視できるものとし、水の比熱容量は温度によらず一定であるとします。
制約
- 加熱した水の質量 m:285 g
- 水の比熱容量 c:4.2 J/(g⋅K)
- 加熱開始時の温度 Tstart:16 [∘C]
- 加熱終了時の温度 Tend:94 [∘C]
入力形式
求めた Qtotal の値を自然数で回答してください。単位(J)は含めず、数値のみを記入すること。
解説
1. 物理現象のモデル化
この問題は、物体に熱を加えたときの温度変化に関する基本的な法則を扱っています。物質の温度を変化させるために必要な熱量 Q は、物質の質量 m、比熱容量 c、および温度変化 ΔT に比例します。
公式は以下の通りです:
Q=m×c×ΔT2. 温度変化の算出
まず、グラフから読み取れる温度の上昇分 ΔT を計算します。 開始時の温度 Tstart=16 [∘C] から、終了時の温度 Tend=94 [∘C] までの変化なので、
ΔT=Tend−Tstart=94−16=78 [K](※温度差については、単位が ∘C でも K(ケルビン)でも数値は同じになります)
3. 熱量の計算
次に、与えられた数値を公式に代入します。
- m=285 g
- c=4.2 J/(g⋅K)
- ΔT=78 K
順を追って計算します。 まず、285×4.2 を計算します。
285×4.2=1197次に、その結果に 78 を掛けます。
1197×78=933664. 結論
以上の計算より、バリスタが水に与えた総熱量は 93366 J となります。
正解:93366