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熱物理学

内部エネルギーとその変化

気体モデルへの入熱と圧縮仕事を変えて第一法則 ΔU=Q+Won\Delta U=Q+W_{\mathrm{on}} を確かめます。熱としても仕事としても系に加えられたジュールはすべて内部エネルギーになります。

高等学校

器具

  • 乱雑に運動する粒子を持つ仮想気体容器
  • スライダー「吸収熱 Q」「系への仕事 W」「初期温度」
  • エネルギー収支の読み出しと粒子速度の表示

手順

  1. 熱だけを加える

    仕事スライダー W を 0 にして入熱 Q を上げます。粒子は速くなり読み値が増えます。W=0 では Q がすべて内部エネルギーになり、ΔU=Q\Delta U=Q です。ΔU\Delta U と対応する温度変化を読みましょう。

  2. 仕事だけを加える

    Q を 0 に戻し仕事スライダーを上げます — モデルのピストンが気体に仕事をします。同じエネルギー増加 ΔU=Won\Delta U=W_{\mathrm{on}} が得られることを確認します。同じ ΔU\Delta U で、加熱だけの場合と粒子速度を比較しましょう。

  3. 熱と仕事を組み合わせる

    Q と W を両方正に設定し、和を記録して読み値で ΔU=Q+Won\Delta U=Q+W_{\mathrm{on}} を確かめます。次に目標 ΔU\Delta U を決め、それに達する二組の異なる (Q, W) を探します — エネルギーは状態関数で経路によらないことが分かります。

  4. 初期状態を変える

    初期温度スライダーを変えて同じ移送を繰り返します。同じ Q や W は出発温度に関わらず同じ ΔU\Delta U を与えます — 熱と仕事が気体の性質ではなくエネルギー移送の様式である証拠です。

シミュレーション

実験の歴史

ベンジャミン・トンプソン（ラムフォード伯爵）は1798年、大砲の穴あけが際限なく熱を生むことを示し、熱を保存される流体とみなす熱素説に疑問を投げました。1840年代のジュールの羽根車測定はその等価性に精密な数値を与え、1 British thermal unit あたり約772フィート・ポンドの仕事となりました。 クラウジウスの1850年の論文はこれを熱力学第一法則 ΔU=Q+W\Delta U=Q+W にまとめ、内部エネルギーを状態関数として定義しました — 熱と仕事は境界を越えてエネルギーを運ぶ方法にすぎません。ウィリアム・トムソン（後のケルヴィン卿）がこの定式化を支持し、あらゆる熱機関・冷凍機・化学エネルギー論の基礎となりました。

関連する物理学者

James Prescott Jouleルドルフ・クラウジウスウィリアム・トムソン(ケルヴィン卿)

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