―熱・内部エネルギーとはなにか―Tweet重要なお知らせお使いのブラウザのJavascriptは無効になっています。当ホームページでは、数式の表示にJavascriptを使用しています。そのため、Javascriptを有効にしていない場合、数式が正しく表示されません。系の内部エネルギーの変化\(ΔU\)は、外部から系に入ってくる熱の総計\(Q\)と外部から系に加えられる仕事の総量\(W\)の和となる。これらの関係式を熱力学第一法則と呼ぶ。$$ΔU=Q+W$$また、本や教科書によっては、\(W\)を系が外部にする仕事と定義するものもある。この場合の熱力学第一法則は次のように定義される。熱・内部エネルギーとは熱は19世紀までは質量の小さい物質だと考えられていたが、次第に熱はエネルギーと同一視でき、熱の移動はエネルギーの移動と同じであることが明らかになっていった。物質を構成するあらゆる分子は絶えず振動しているという考えや、分子間のポテンシャルエネルギーによる分子間力から、熱は分子の力学的エネルギーであるという考えに発展した。ところが、熱は元々物質間で温度変化するときに、移動するものだと考えられていたため、最終的に、熱は高温部分から低温部分に移動する分子の力学的エネルギーと考えられるようになった。内部エネルギーとは、系に含まれている分子の力学的エネルギーの総和のことを指す。熱と内部エネルギーはどちらも力学的エネルギーだから、単位はジュール[J]となる。仕事の単位も当然ジュール[J]だから、力学的エネルギー保存則に沿って、これらを等式に並べることができる。それが熱力学第一法則である。熱力学第一法則の2つの表し方\(W\)を「系に加えられる仕事の総和」としたとき仕事が「系に加えられる仕事の総和」と定義されているため、仕事\(W\)が正ならば、その分内部エネルギーが増加することになる。したがって、入ってくる熱を\(Q\)とすると、次の式が成り立つ。$$ΔU=Q+W$$内部エネルギーの微小量をとると、次の式になる。$$dU=d’Q+d’W$$内部エネルギーの微小量\(dU\)は状態量だから、微小量は全微分となる。ところが熱\(Q\)と仕事\(W\)は経路によって変わるため、状態量でない。したがって、これらの微小量は全微分にはならない。全微分と区別するために、\(Q\)や\(W\)の前に\(‘\)をつけた。\(W\)を「系が外部にする仕事の総和」としたとき仕事が「系が外部にする仕事の総和」と定義されているため、仕事\(W\)が正ならば、その分内部エネルギーが減少することになる。したがって、入ってくる熱を\(Q\)とすると、次の式が成り立つ。$$ΔU=Q-W$$エントロピーを導入するとエントロピー\(S\)という物理量を導入すると、熱力学第一法則は、次のように書き換えられる。$$dU=TdS-pdV$$詳しくは下の記事を参照してください。参考:エントロピーの定義とはスポンサーリンクまとめ・熱とは、物体間で温度変化するときに移動する分子の力学的エネルギーを指す。・内部エネルギーとは、系に含まれている分子の力学的エネルギーの総和を指す。・仕事\(W\)が「系に加えられる仕事の総和」と定義されるときの熱力学第一法則は次の通りである。$$ΔU=Q+W$$また、この式の微小量をとると、次の式になる。$$dU=d’Q+d’W$$・仕事\(W\)が「系が外部にする仕事の総和」と定義されるときの熱力学第一法則は次の通りである。潜熱とは、相Aから相Bに相転移するときに、系に出入りする熱のことである。この記事では、なぜ相転移に潜熱がつきものなのかを考える。エントロピー増大則とは、断熱過程における不可逆変化で、エントロピーが増大する法則のことである。数式で表すと次のよう...記事を読む示強性・示量性とは物理量は、示量性変数と示強性変数(強度変数)の2種類に分類される。これらの違いは、系の大きさを変えたときに、その物理量が系の大きさの変化に比...記事を読む【コラム】ダイヤモンドダストと二酸化炭素の昇華について今回のコラムのテーマは、「ダイヤモンドダスト」です。この不等式は、可逆サイクルの熱効率が...記事を読む【コラム】ガラスは固体か液体か?今回のコラムのテーマは、「ガラスの状態」についてです。化学ポテンシャル\(μ\)とは、系の内部変化に関係した状態量で、次のように定義される。いった変化がゆっくり行われることで、常に平衡状態を保ちながら変化するような過程のことである。理科SNSでもご購読できます。*メールアドレス(公開はされません。*次回のコメントで使用するためブラウザーに自分の名前、メールアドレス、サイトを保存する。上に表示された文字を入力してください。