熱量計はどのように機能しますか？

熱量計は科学機器のように聞こえるかもしれませんが、実際には2つのコーヒーカップを使用して自宅で作成できる非常にシンプルな熱測定装置です。 科学プロジェクトの実験でよく使用され、熱伝達や物質の比熱など、化学的または物理的プロセスに関与する熱量を測定します。

TL; DR（長すぎる; 読んでいない）

液体の温度は、エネルギーが増減すると変化します。 熱量計は、液体の質量と液体の温度変化を測定して、液体によって得られた、または失われたエネルギーの量を決定します。

熱量計には、外側の容器と内側の容器の2つの容器があります。 2つの容器間の空気は断熱材として機能します。つまり、内部容器の内部と外部環境の間に熱交換がない（または最小限に抑えられている）ことを意味します。 科学実験室で使用される熱量計には、内側の容器を外側の容器の中央に保持するための絶縁材料で作られたファイバーリングがあります。 それらには、内部容器内の液体の温度を測定するための温度計と、液体を攪拌して容器全体に熱を分散させるためのスターラーが含まれています。 ポリスチレン製のカップ、カバー、温度計、スターラーを使用して、自宅で熱量計を簡単に作成できます。 ただし、「コーヒーカップ」熱量計では、周囲との熱交換が多くなり、結果の精度が低下します。

熱量計の溶液で発熱反応（光や熱によってエネルギーを放出する化学反応）が発生すると、溶液は熱を利用して温度を上昇させます。 吸熱反応（周囲からエネルギーを吸収する反応）が発生すると、溶液は熱を失い、温度が低下します。 温度の違いは、溶液の比熱と質量とともに、反応が使用する熱量を計算することを可能にします。 たとえば、熱量計内の冷たい水に熱い銅片を置くと、銅から水に熱が流れます。 銅の温度は下がり、水の温度は同じ温度になるまで上がります（熱平衡）。 熱量計では2つの物質間ですべての熱伝達が発生するため、プロセス中に熱が増減することはありません。

比熱は、物質1グラムあたり摂氏1度の温度変化を生み出すのに必要なエネルギー量であり、物質によって異なります。 たとえば、水の比熱は1.00カロリー/グラム度です。 未知の金属の比熱を測定するには、熱量計の内部容器内の水中に加熱された金属片を置きます。 金属と水の両方の最終温度（水が到達する最高温度など）を測定したら、金属の比熱を計算できます。 まず、水の質量に水の比熱と水の温度変化を掛け、次に金属の質量に金属の温度変化を掛けます。 金属の比熱を確立するために、最初の答えを2番目の答えで割ります。