解答
第4回全国物理コンテスト 物理チャレンジ2008 第1チャレンジ
理論問題コンテストより出題(一部改変)

次の文を読んで,問題に答えなさい。
断熱性のよい容器A,Bと熱伝導性の高い容器C,Dがある。
容器A,Bにはそれぞれ,80℃のお茶(ただし,比熱は水と等しいとする)1,000gと,20℃の水1,000gが入っている。
A,Bは容器C,Dを中に入れられる大きさで,中の液体がこぼれることはない。これらの容器は,次のような使い方ができる。

1)容器Bに入っている水をすべて容器Cに移し, 容器Cを容器Aの中に入れる。
2)熱伝導によって,しばらくすると,容器Aのお茶と,容器Cの水の温度は等しくなる。

【問題
 容器A〜Dを利用した熱伝導の過程だけを用いて,お茶と水を混ぜるこ となく, 最終的な水全体の温度を,最終的なお茶全体の温度より高くする ことはできるだろうか。できるとすればその方法の1例を,またできないとすればその理由を述べなさい。



【解答】
できる。一例として,次の手順で行えばよい。
(1)容器Bの水を容器C,Dに半分ずつ分ける。
(2)容器Cを容器Aの中に入れると,60℃になるので,水を容器Bに戻す。
(3)容器Dを容器Aの中に入れると,約47℃になるので,水を容器Bに戻す。
(4)容器Bの水は約53℃になり,容器Aのお茶は約47℃になっている。
条件として示した,容器による熱の吸収や周囲への熱放出はないとした容器A〜Dを用いた熱伝導だけで, 左記のようなことが可能である。始めに分割するのがお茶でもよい。また,2等分でなくてもよい。 熱交換器の原理である。

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