「熱力学第一法則」とは？

全ての物理の基本原則と言っても過言ではないのが「熱力学第一法則」です。

しかしながら、イメージが持てずに苦手意識を持つ人がとても多いんですよね。

教科書などを見ると、物体に与えた熱量をQ [J]、加えた仕事をW [J]としたとき、

物体の内部エネルギーの増加分ΔU [J]は、

って書いてあります。

なんだかこう書くと小難しそうですね。

でも、実はこれは凄く単純なことをあらわしていて、物体にエネルギーを加えればそれは内部に溜まるし、

物体が仕事をすれば溜まっていたは消費されるということです。

要するに熱力学的要素と力学的要素を含めたエネルギー保存の法則なのです。

符号には気をつけよう！

また、この法則は各量の正負について気をつけなければなりません。

内部エネルギーが増加する（温度が上がる）　　ΔU ＞0
内部エネルギーが減少する（温度が下がる）　　ΔU ＜0
物体を加熱する（熱が流入する）　　　Q ＞0
物体を冷却する（熱が流出する）　　　Q ＜0
外部から物体に仕事をする　　W ＞0
物体が外部に仕事をする　　W ＜0

あくまで、対象の物体を基準に考えているので、外部から熱エネルギーを得たり、

仕事をされた場合がプラスになります。

それではこの法則を利用した問題を見てみましょう。

例題

[K]、気圧、[㎤]の気体を、体積が自由に変えられる気筒内に閉じ込める。

圧力一定で温度を[K]にしたとき次の量を求めよ。

ただし、[K]、気圧のときの気体の密度は[g/㎤]、

圧力が一定の場合の気体の比熱は[Pa]とする。

（１）気体に加えられた熱量Q
（２）気体がした仕事W
（３）気体の内部エネルギーの増加ΔU

解答

（１）気体に加えられた熱量Q

定圧条件での比熱Cpが与えられているので、気筒内期待の質量をmとすると、

　[g · Pa · K]

　[J]

（２）気体がした仕事W

定圧条件なので、気体のする仕事はＷ＝ｐΔＶと表せる。

[㎤]

で求められるので、

　[ g · ㎠ · s-2]

　「J」

（３）気体の内部エネルギーの増加ΔU

熱力学の第一法則より

ΔU＝Q＋W

である.

ここでのWは気体が外部からされる仕事なので、

（２）とは符号が逆になることに注意すると

　　「J」