古典統計力学
内部エネルギーとエンタルピー
温度と制御パラメータを変えながら内部エネルギー U とエンタルピー を比較し、その差を熱容量 と に結びつけます。
器具
- 二つのキャンバス：3D 定性モデルと U、pV、H の規格化定量グラフ
- スライダー「温度」
- スライダー「パラメータ」
手順
温度に対する U と H を追う
温度スライダーを動かし、定量グラフで U と の応答を見ます。pV 項が一定なら二本の曲線は一緒に動きながら pV 分だけずれます。差を読み、表示される pV の寄与と等しいことを確認しましょう。
熱容量を見積もる
各曲線について二点の温度読みから と を測ります。これらが と の推定値です。気体では で、定圧では熱の一部が膨張仕事に使われるためです。
制御パラメータを変える
パラメータスライダーを動かし、U と pV 項の均衡がどう変わるか述べます。あなたの拘束条件 — U と V 一定、あるいは p 一定の H — に自然なポテンシャルはどちらか答え、新しいずれを予測してからグラフで読み取りましょう。
シミュレーション
実験の歴史
ジェームズ・プレスコット・ジュールの1840年代の実験は、熱と仕事がどちらも物体のエネルギーを変えることを示し、ルドルフ・クラウジウスは1850年にこれを第一法則 にまとめ、内部エネルギーを状態関数として導入しました。この概念は熱物理学に力学と同じ厳密な収支を与えました。
エンタルピー は19世紀、流動系や定圧の化学のために現れました — 定圧では交換される熱がそのまま になるため、反応熱はエンタルピーとして表にされます。その後ギブズの熱力学体系が、H をルジャンドル変換で結ばれたポテンシャル族の一員に位置づけました。