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。
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。
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。
固体と液体は、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。
気体は、「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。
前の項目で解説したピストンの例は、熱を受けたのは「気体」でしたので、「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、ピストンのケースでは、 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。
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。
固体と液体は、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。
気体は、「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。
前の項目で解説したピストンの例は、熱を受けたのは「気体」でしたので、「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、ピストンのケースでは、 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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