熱力学系とエネルギー収支
導入済み| English | 意味 |
|---|---|
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | 内部エネルギー |
| adiabatic/ˌædiəˈbætɪk/ | 断熱 |
この観察を説明する要因は何か？
- ガスを圧縮すると、ヒーターなしでも温度が上昇することがある。仕事は系へのエネルギー移動のための別の一経路である。
- まず予測を立てる。比較したい量や特徴を明記し、2つの説明を区別できる証拠は何かを決定せよ。
モデルを構築する
- 内部エネルギー は選定した系の性質である。熱と仕事は、境界を越えたエネルギー移動を記述する。理想一原子分子ガスにおいて、内部エネルギーは温度および物質量に依存する。
- 断熱的：熱移動のない過程；内部エネルギー：系の全微視的運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギー。
この慣例において、断熱圧縮時に何が起こるか？
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断熱とは熱伝達が没有（Q = 0）ことを意味します。圧縮では周囲がガスに対して仕事を行い、Q = 0 の場合、その仕事により内部エネルギーが増加します。この規約では、圧縮におけるガスの行う仕事は負です。
各専門用語を正確な意味と対応させよ。
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関連する物理量やプロセスを区別するために定義を使用せよ。
これを検証できる証拠を選ぶ
- 第一法則を使用する前に符号の規則を明記すること。ここでは、内部エネルギーの変化は系に入る熱から、系が行う仕事を引いたものとなる。熱が入らない場合、膨張による仕事は内部エネルギーを減少させることができる。
- 過程が等温、断熱的、あるいは定容かを確認する。圧力-体積グラフにおいて、過程曲線下の面積はガスが行う仕事を示す。終点が一致していても、経路によって仕事は異なる。
この場合、調査やモデルをより妥当にする2つの習慣は何か。
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条件や仮定を明記することで他者が正確に再現でき、根拠となる証拠を記録することで結論を検証できます。相反する結果を隠すと、誤った結論を疑う証拠を失いますし、単一の測定でより広い主張を成立させることはできません。
既知の量から始める
- 既知の値と単位を明記する。このケースに適応する仮定を持つ関係式を選び、代入前に変形する。
- 既知：ガスは加熱により 300 J のエネルギーを得て、120 J の仕事を行った。ΔU = Q-W より、ΔU = 300-120 = 180 J。断熱圧縮の場合、Q=0 であり、ガスが行う仕事は負の値となるため、ΔU は正となる。
ガスは 500 J の熱を得て、200 J の仕事を行った。内部エネルギーの変化を求める。同じ手順を用いる：既知量 → モデル → 関係式 → 代入 → 単位と解釈。
気体が 500 J の熱を受け取り、200 J の仕事を行う。内部エネルギーの変化を求めよ。
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結果は 300 J です。既知：吸収した熱量 Q = 500 J；ガスが行った仕事 W = 200 J。指定された規約 delta U = Q - W を使用します。Delta U = 500 - 200 ＝ 300 J。熱として入ったエネルギーが仕事として出たエネルギーよりも多いため、内部エネルギーは 300 J 上昇します。
結論とその限界を確認する
- 断熱的とは一定温度を意味しない。指定された符号の規則を使用すること。一部の教科書では、ガスに行われる仕事に対して逆符号を用いていることがある。
- 元の観察に戻り、結果が何を裏付けているか、どのような条件を前提としているかを説明し、対立する説明を検証する方法を一つ示す。
断熱過程はすべて温度一定であるという主張は誤りである。断熱は熱移動（Q = 0）を固定するものであり、温度を固定するものではない。断熱圧縮は温度を上げる（自転車ポンプが温まる）、断熱膨張は温度を下げる。温度一定の過程は断熱ではなく等温である。
熱力学系とエネルギー計算：第一法則を使用する前に符号の規則を明記すること。ここでは、内部エネルギーの変化は系に入る熱から、系が行う仕事を引いたものとなる。熱が入らない場合、膨張による仕事は内部エネルギーを減少させることができる。
すべての断熱過程は定温である。
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断熱は熱伝達（Q = 0）を固定するものであり、温度を固定するものではありません。断熱圧縮は温度を上げます（自転車ポンプが暖まる）、断熱膨張は温度を下げます。一定温度のプロセスは断熱ではなく等温です。
熱交換がないプロセス：技術用語を記せ。
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断熱とは、熱移動のないプロセスのことである。