熱力学とは?高校生でも分かるように解説!

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はじめに

熱力学に抵抗を感じたことのある人は多いのではないでしょうか?

熱力学は力学や電磁気学をはじめとする多くの科学とは物事を捉える視点が違うため、人によっては感覚が掴みにくいことは事実です。

これから熱力学についてできるだけわかりやすく説明していきたいと思います。

大学の講義でつまづいている学生の方の助けになればとの思いで書いているので、既に理解が進んでいる方には物足りない内容になるかもしれませんがよろしくお付き合いください。

熱力学とは

熱はエネルギーの一種であり他のエネルギーと相互変換することができます。

これを利用して熱に仕事をさせるのが自動車のエンジンをはじめとする熱機関です。

またエアコンのように電気的エネルギーに仕事をさせて熱エネルギーを増減させるものもあります。

こうした熱と仕事の関係性について研究されたものが熱力学です。

熱と温度

熱と温度は密接な関係にありますが、その意味するところの違いについてははっきりさせておく必要があります。

例えば80℃のお湯100mLが入っている湯呑みに、同じ80℃のお湯100mLを継ぎ足したとします(こうした着目する対象全体のことを系と呼びます)。

このときお湯全体の持っている熱量は2倍になりますが、温度は2倍とはならず80℃のままです。

熱量は分子の振動・回転に起因するエネルギーを表すのに対し、温度は系の状態を表す量という違いがあるからです。

後者のような量を状態量といいます。

圧力

圧力とは体積あたりに加わる力のことですが、熱力学では専ら系を満たしている気体の圧力を指します。

気体の圧力は熱量と同様分子の運動に関係した物理量で、分子が他の分子または容器内壁に衝突する力を表すものです。

実際の圧力測定では大気圧との差(ゲージ圧、差圧)で値が得られるのですが、熱力学的に取り扱うときはゲージ圧に大気圧を足すことを覚えておいてください。

状態量

温度をはじめ圧力・体積・エントロピーといった状態量は、平衡状態においてある2つが判れば他のすべての値も決まってしまうという特徴があります(高校でも学んだ状態方程式というものです)。

またこれらの量は系が通ってきた変化の経路がどうであれ同じ値になるという性質があります。

状態量は系の情報を知るための測定対象として都合がいいです。

もしさきほどの湯呑みの例で熱量を直接測定するとなると湯呑みからお湯の一部を抜き取らなければなりませんが、温度は前もって温度計を差しておきさえすれば状態を変えることなく測定できます(温度計がある場合とない場合は別の系になることには注意してください)。

今回は熱力学の勉強を始める準備段階として知っておきたい事柄を説明しました。私が実験や実務で感じたことなども交えていきたいと思いますのでペースが遅いかもしれませんが、また読んでいただけたらと思います。

次回は2. 熱力学的なものの見方

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