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English

等温・等圧・等積・断熱の 4 過程:消える量と p-V 図での形

気体の状態を変えるとき、何を一定に保つかで話が変わります。温度、圧力、体積、熱の出入り。この 4 つが基本の分け方です。

第一法則の 3 つの量のうち、どれかが必ず消えるところが要点になる。

は気体が外へする仕事です。以下では 4 つの過程を順に見て、消える量を確かめ、- 図での形と解き方の順序まで進みます。

共通の点から 4 本の道が出る

同じ状態から出発しても、何を止めるかで進む向きが変わる。

赤は圧力を止めた道、緑は体積を止めた道です。青と紫はどちらも曲がりますが、紫のほうが速く落ちる。

その理由はあとの節で確かめます。まず 1 つずつ見ていく。

等積変化 — 仕事がゼロ

体積を止めると、ふたが動きません。押す相手がないので仕事も出ない。

第一法則から、与えた熱はすべて内部エネルギーになる。

密閉した容器を温める場面がこれにあたる。- 図では縦にまっすぐ進みます。

例:体積を止めて加熱する

単原子分子の理想気体 の温度を、体積を止めたまま 上げます。

がそのまま内部エネルギーの増加分です。仕事はゼロなので、外へは何も出ていかない。

等圧変化 — 熱が二手に分かれる

圧力を止めると、気体は膨張しながらふたを押します。仕事が出る。

状態方程式 を止めれば、体積の増えぶんが温度の増えぶんに比例する。

この形なら体積を測らなくても仕事が出せる。温度差だけで済みます。

与えた熱は内部エネルギーと仕事に分かれます。- 図では横にまっすぐ進む。

例:圧力を止めて加熱する

さきほどと同じ気体を、今度は圧力を止めて 上げます。

内部エネルギーの増えぶんは温度だけで決まるので、さきほどと同じ値。

同じ温度上昇に、 だけ多く熱が要りました。その分がふたを押す仕事に回っている。

等温変化 — 内部エネルギーが動かない

温度を止めると、理想気体の内部エネルギーは変わりません。 が温度だけで決まるからです。

第一法則の左辺が消えるので、受けとった熱がそのまま仕事になる。

熱が入り続けているのに温度が上がらない、という不思議な過程です。入った分がそのまま出ていくので、たまらない。

実現するには、大きな熱源に触れさせたままゆっくり動かします。急に動かせば温度がついてこない。

- 図では が一定なので双曲線をたどる。仕事はその曲線の下の面積で、値を式で出すには対数が要るので高校では扱いません。面積として読むか、 の関係から求める。

例:等温変化で熱と仕事を比べる

等温を保ったまま気体を膨張させ、外へ の仕事をしました。

なので、第一法則はそのまま次の形になる。

の熱が入り、 が仕事として出ていきました。温度は 1 度も上がっていません。

断熱変化 — 熱の出入りがない

熱を通さない壁で囲むか、熱が伝わる暇がないほど速く動かすと、熱の出入りが止まる。

このとき第一法則は 2 項だけになる。

膨張すれば が正なので は負になり、温度が下がります。圧縮すれば逆で、温度が上がる。

この過程でだけ「仕事をした分だけ内部エネルギーが減る」が成り立ちます。ほかの過程では熱が入ってくるので、そうなりません。

圧力と体積の関係は が一定という形になり、 を比熱比といいます。単原子分子なら 、二原子分子なら

例:断熱膨張で温度が下がる

単原子分子の理想気体 が、熱を通さない容器のなかで膨張し、外へ の仕事をしました。

なので内部エネルギーは仕事の分だけ減る。

温度が 下がりました。熱を一切奪っていないのに冷えている。スプレー缶を使うと缶が冷たくなるのは、この形の変化です。

4 つの装置を並べる

同じ気体を同じだけ温めても、装置の作りが違えば行き先が変わる。

等温では分子の色が変わりません。熱源が温度を押さえているからです。等積ではふたが留め具で止まり、色だけが動く。

断熱では熱が入っていないのに、押しこまれた側で色が変わります。仕事が温度に化けている。

収支を見比べる

同じ図を第一法則の 3 つの量で描き直すと、消える項がはっきりする。

断熱変化だけ内部エネルギーの棒が左へ伸びます。熱をもらわずに仕事を出すので、内部エネルギーを削るほかない。

どの場合も が成り立っています。棒の長さで確かめられる。

断熱曲線が等温曲線より急な理由

同じ点から膨張させたとき、断熱のほうが圧力の下がり方が速くなります。理由は温度にある。

等温では膨張しても温度が変わらないので、圧力は体積が増えたぶんだけ下がります。 が一定という形。

断熱では膨張と同時に温度も下がる。圧力は体積の増加と温度の低下の二重の理由で下がるので、落ち方が急になります。

式で言えば より大きいところに現れる。指数が大きいほど曲線は速く落ちます。

同じ状態から同じ体積まで膨張させたとき、気体がする仕事が大きいのはどちらですか。

  • 断熱変化
  • 等温変化
  • どちらも同じ
  • 気体の種類で決まる
__RESULT__

仕事は - 図の曲線の下の面積です。等温曲線のほうが上を通るので、面積も大きくなります。

4 つを表で並べる

消える量と第一法則の形をまとめます。

過程止める量第一法則の形
等温温度Q = W
等圧圧力Q = ΔU + W
等積体積Q = ΔU
断熱熱の出入りΔU = -W

- 図での形と仕事の求め方も並べておく。

過程p-V 図での形仕事の求め方
等温双曲線面積を読む
等圧水平線W = pΔV
等積垂直線W = 0
断熱等温より急な曲線W = -ΔU

等圧だけが 3 つとも残ります。ほかの 3 つはどれか 1 つが消えるので、式が 2 項で済む。

解く順序

問題文を読んだら、まず何が止まっているかを探します。そこから消える量が決まる。

止めている量を見つける

のどれが 0 か決める

残りを第一法則でつなぐ

はいつでも で出せます。過程によらず温度だけで決まるので、ここを先に押さえると早い。

を使うのは等圧のときだけです。ほかの過程で を持ち出すと合わなくなる。

例:2 つの過程をつなぐ

単原子分子の理想気体を、まず体積を止めて 上げ、続けて圧力を止めて 下げます。物質量は とする。

前半は で、熱がすべて内部エネルギーに入る。

後半は温度が下がるので が負になり、体積も縮むので仕事も負になる。

温度はもとに戻ったので、2 段合わせた はゼロです。出入りした熱の合計は で、外から の仕事をされたぶんと釣り合っている。

サイクルにすると囲む面積が仕事

過程をつないで元の状態に戻すと、 は必ずゼロになります。 が状態だけで決まるからです。

1 周のあいだに正味で受けとった熱が、そのまま正味の仕事になる。その値が - 図で囲んだ面積です。

canvas: 置き場が受け取りませんでした

時計まわりにたどると仕事は正で、外へエネルギーを出します。熱機関の動き方。

反時計まわりなら仕事は負になり、外から仕事を入れて熱を運ぶことになります。冷蔵庫やエアコンがこちら。

よくある誤り

最後に、間違えやすいところを並べます。

等温変化では熱の出入りがないと思う。 なだけで、 の熱が入り続けます。
断熱変化では温度が変わらないと思う。熱が出入りしないだけで、仕事のぶん温度は動きます。
の計算に を使う。 はどの過程でも です。
を等温変化に使う。圧力が変わらない場合だけの式です。
等積変化でも仕事があると思う。ふたが動かないので になります。
断熱と等温の曲線を同じ形だと思う。断熱のほうが の分だけ急に落ちます。
サイクルで が残ると思う。元の状態に戻れば必ず です。
温度差まで K に直さないといけないと思う。 は差なので でも K でも同じ値です。
体積を のまま に掛ける。仕事を で出すなら に直します。

参考文献

Thermodynamic process - Wikipedia
Isothermal process - Wikipedia
Isobaric process - Wikipedia
Isochoric process - Wikipedia
Adiabatic process - Wikipedia
Heat capacity ratio - Wikipedia
Zustandsänderung - Wikipedia(ドイツ語)
Transformation thermodynamique - Wikipédia(フランス語)
何を一定に保つかで、第一法則の 3 つの量のどれかが必ず消えます。4 つの過程それぞれで $Q$・$\Delta U$・$W$ がどうなるかを図と計算例で確かめ、$p$-$V$ 図での形と解く順序まで扱います。