物理の大原則「熱力学第一法則」を知らずして何を語る!

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「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」

 

 

 

 

 

 

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