熱力学第1法則①

力学に「運動の3法則」という基本法則が存在するのと同様に,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。 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法則に登場するのはQ,U,Wの3つ。 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。 より詳しく書くと,ここでは「物体に “与えた” 熱量」を表します。

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は物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,

・物体の内部エネルギー = その物体を構成する原子・分子がもつ力学的エネルギーの合計。

・内部エネルギーは物体の温度と密接に関係していて,物体の温度が高くなるほど,内部エネルギーも大きくなる。

の2点です。

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「外部からの力に逆らって,気体が膨張する(=体積が増える)」ことを指します。

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

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


時間に余裕がある人は,ぜひ問題演習にもチャレンジしてみてください! より一層理解が深まります。

【演習】熱力学第1法則①熱力学第1法則に関する演習問題にチャレンジ!...

次回予告

次回は法則の中身について解説します!

熱力学第1法則②熱力学第1法則は「物体に熱を与えたとき,その熱がどのように使われるか」を示しています。具体的にイメージを思い描けるようにしましょう!...