物理基礎 / 熱とエネルギー

熱力学第1法則

★ 基礎熱力学第1法則内部エネルギー

問題

気体に $500 J$ の熱を与えたところ、気体は膨張して外部に $200 J$ の仕事をした。この気体の内部エネルギーの変化を求めよ。

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与えた熱は「内部エネルギーの増加」と「外部にする仕事」に分かれる。ΔU=Q−W。

解答・解説

熱力学第1法則 ΔU=Q−W。与えた熱のうち、外部への仕事に使われた分を引いた残りが内部エネルギーの増加。

⓪ 発想 — どう考え始めるか。 気体に加えた熱は、丸ごと温度上昇になるとは限らない。一部は気体が膨張して外部を押す仕事に使われる。残りが内部エネルギー(気体分子の運動の激しさ=温度)の増加になる。

このエネルギーの帳簿が熱力学第1法則だ。

加えた熱 500 J が、外部への仕事 200 J と内部エネルギーの増加 300 J に分かれる(ΔU=Q−W)

重要熱力学第1法則

Δ U = Q - W

(

Q

: 加えた熱、

W

: 気体が外部にする仕事、

Δ U

: 内部エネルギーの変化)

① 代入する。

$Δ U = Q - W = 500 - 200 = 300 J$

内部エネルギーは $300 J$ 増加する。

まとめ 加えた $500 J$ が「外部への仕事 $200 J$ 」と「内部エネルギーの増加 $300 J$ 」に振り分けられた。これはエネルギー保存の法則を、熱を含めて述べたもの。前単元の力学的エネルギー保存が、熱まで含めた形に拡張されたと見るとよい。

答

$300 J$ 増加

エネルギーの帳簿で見るルート(苦手な人向け)。 収入(加えた熱) $500 J$ 。支出(外部にした仕事) $200 J$ 。手元に残る(内部エネルギーの増加) $= 500 - 200 = 300 J$ 。

家計簿と同じで「入った分 − 出た分 = 貯まった分」。熱力学第1法則は、エネルギーの家計簿にすぎない。