物理基礎:内部エネルギーと熱力学第一法則

<ポイント>
・物質をつくる粒子は熱運動の運動エネルギー、粒子間にはたらく位置エネルギーをもつ
・物体をつくる粒子がもつ「エネルギーの総和」を内部エネルギーという
〔内部エネルギーの変化 ΔU〕=〔加えられた熱量 Q〕+〔外部からされた仕事 W〕
(1)内部エネルギー
物質をつくる粒子は熱運動による「運動エネルギー」、粒子間にはたらく力による「位置エネルギー」をもっています。

これら「運動エネルギー」と「位置エネルギー」の総和を(物質のもつ)内部エネルギーといいます。

また、温度があがれば熱運動が激しくなり、「運動エネルギーが大きくなる」ため、内部エネルギーも大きくなります。

(2)熱力学第一法則
物体の内部エネルギーを増加させるためには、

・外部から熱量 Q を与える
・外部から物体に対して仕事 W をする

のいずれかが必要です。

この「熱量 Q 」と「された仕事 W 」の和が内部エネルギーの変化に等しくなります
〔内部エネルギーの変化 ΔU〕=〔加えられた熱量 Q〕+〔外部からされた仕事 W〕

これを熱力学第一法則といいます。

逆に言えることは、「外部から熱を加えたり、仕事をされなければ内部エネルギーの変化はない」ということです。
こちらは「エネルギー保存の法則」です。

<補足>
熱力学第一法則において、
・物体から「熱が放出される」場合は、熱量 Q < 0
・物体が「外部に仕事をする」場合は、仕事 W < 0
となります。

つまり、Q、Wともに「負の値」となることがあるので、注意しましょう。

<まとめ>
・物質をつくる粒子は熱運動の運動エネルギー、粒子間にはたらく位置エネルギーをもつ
・物体をつくる粒子がもつ「エネルギーの総和」を内部エネルギーという
〔内部エネルギーの変化 ΔU〕=〔加えられた熱量 Q〕+〔外部からされた仕事 W〕

 

※ 理解を優先するために、あえて大雑把に書いてある場合があります

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