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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

熱力学第一法則

熱力学第一法則は次の式で表されます。

Q = ΔU + W

Q   は加えた熱量
ΔU は内部エネルギーの増加量
W   は行った仕事です。


式だけ見ても良くわかりませんので具体的な例で説明します。

下図のように ピストンを固定した状態 で、シリンダーを熱量(Q)で加熱します。

すると内部の気体の温度が上昇して、圧力が上昇します。




この場合、加えた熱量(Q)は全て温度の上昇「=内部エネルギーの上昇(気体の場合)」に変化します。

従って、これを式にすると、

Q = ΔU となります。


次にピストンを固定せずに熱量(Q)を加えてみます。

すると内部の分子の運動が激しくなることで温度が上昇して、空気が膨張しピストンが移動します。



つまり、内部の気体が 「外部に対して仕事を行った」 ということです。

ここで、ピストンは大気の圧力(P)とバランスを取りながら移動するため、内部圧力は常に一定となります。このときの仕事Wは圧力が一定であるため、 W = PΔV となります。(※詳しくは仕事とエネルギーで解説)

従って、加えた熱量(Q)が内部エネルギーの上昇(ΔU)とピストンを動かすという仕事(W)に変換されたということになり、

Q = ΔU + W
  = ΔU + PΔV

が成り立ちます。

熱と仕事は同じものであり、「熱から仕事へ」、「仕事から熱へ」 変換することができ、その間においてはエネルギーが保存されます。

これを 熱力学第一法則 といいます。

内部エネルギーとは


ここで内部エネルギーについてもう少し理解を深めます。

内部エネルギーとは、物体内部に持っているエネルギーのことです。

物体内部のエネルギーとは、

1.分子の運動によるエネルギー
2.分子間で働く力によるエネルギー

です。

この2つのエネルギーを合わせて 内部エネルギー といいます。


分子は熱を受けることで激しく運動を行います。

固体や液体は、分子間で働く位置エネルギーを持っています。
しかし、気体では分子間で働く位置エネルギーを無視することができます。

前章の例で解説したピストンでは、内部にあるのは気体であったため、「分子間で働く位置エネルギー」 を無視することができます。従って、このケースでは、 内部エネルギー(ΔU) = 分子の熱運動による運動エネルギー となります。


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