熱力学第1法則①

力学には「運動の3法則」という,基本法則が存在します。

同様に,熱の分野にも「熱力学の法則」と呼ばれる基本法則が存在します。

運動の3法則は第1〜第3法則までの3種類ですが,熱力学の法則は第0〜第3法則までの4種類あります。

このうち高校物理で扱うのは第1法則と第2法則の2つです。

まずは第1法則から紹介したいと思います!

 

 

熱力学第1法則に入る前に 

…と言いたいところですが,いくつか用語の説明をしないといけません。

熱力学第1法則は,公式の形だけ丸暗記しても使えない公式の筆頭です!

公式に使われている文字の意味のしっかりと理解していないと,いざ計算しようと思っても正しく代入できません。

 

熱力学の第1法則の登場人物はQ,U,Wの3人です。

この3つがそれぞれ何を表すのか,ひとつずつ見ていきましょう。

 

Q 

まずQですが,これは以前から登場していますね!

そう,熱量です。

より詳しく言うと,ここでは「気体に “与えた” 熱量」を表します。

(熱力学第1法則は気体に対して適用することが多い)

熱量と聞いてピンとこない人は以前の記事を見返してください。

 

 

U

Uは気体の「内部エネルギー」と呼ばれているものです。

「内部エネルギー」は新しい用語ですが,詳しい話はまたの機会にします。

いまの段階で知っておいてほしいことは,

・物体が内部エネルギーと呼ばれるエネルギーをもっていること。

・内部エネルギーは,物体の温度と密接に関係していて,内部エネルギーが大きいほど,物体の温度が高いと言える。 

の2点です。 特に2点目が大事です。

温度の高い・低いは通常であれば℃やKで表しますが,それをエネルギーの単位[J]で表したもの,と考えてください。

  

蛇足ですが,内部エネルギーという名称について。

ここに温度のちがう缶コーヒーが2本あるとします。

「どちらが熱いでしょうか?」と言われても,見ただけではわかりません。

一方,運動エネルギーや位置エネルギーは見ただけでわかります。

運動している物体を見たら,「あれは運動エネルギーを持っている」,高いところにある物体を見たら,「あれは位置エネルギーを持っている」,といった具合です。

外から見ただけではわからない=“内部”エネルギー,というわけですね!

 

W

最後にWです。

これは力学でも登場した「仕事」を表します。

熱力学第1法則では気体が主役なので,正確には,「気体が “外部にした” 仕事」です。

言葉だけ聞いて分かった気になってはいけませんよ?

「気体が仕事をする」って具体的にどういうことでしょうか?

 

「仕事をする」とは,力学では「力を加えて物体を動かすこと」でしたが,熱の分野では「外からの圧力に逆らって,気体が膨張する(=体積が増える)」ことを指します。

逆に,外からの圧力によって,気体の体積が減ることを「気体は外部から仕事を “される” 」と受身形で表現します。

言葉の使い方と,それが何を表すのかに注意しましょう。

  

今回のまとめノート

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次回予告

次回は法則の中身について解説します!

www.yukimura-physics.com