熱物理学

内部エネルギーとその変化

内部エネルギーは系の微視的なエネルギーであり、熱の移動や系にされた仕事によって変化します。

気体は熱を受け取っても、圧縮されても温度が上がります。エネルギー移動の仕組みは異なりますが、どちらも内部の微視的エネルギーを変えます。

熱と仕事はエネルギー移動の方法

熱 $Q$ と仕事 $W$ は状態に蓄えられた量ではなく、過程中に系の境界を通って移動するエネルギーを表します。内部エネルギー $U$ は状態関数なので、$\\Delta U$ は始状態と終状態だけで決まります。

確認問題

内部エネルギーは系の微視的エネルギーで、熱運動と粒子間相互作用を含みますが、物体全体の運動エネルギーは含みません。そのため容器の壁を通る熱移動がなくても、水をかき混ぜれば内部エネルギーは増えます。一方、温かい物体を冷たい物体のそばに置けば、熱移動によって内部エネルギーが変化します。単原子理想気体では内部エネルギーは温度だけに依存し、U=rac32nRT です。これはモデルの結果で、あらゆる物質に使える式ではありません。内部エネルギーは状態関数なので、その変化は経路ではなく初状態と終状態だけで決まります。対して熱と仕事は過程中に系の境界を越えるエネルギー移動の方法であり、物体内に蓄えられた量ではありません。計算では系を明確に定め、系に入る熱と周囲が系にする仕事を区別しましょう。

気体が 200 J の熱を受け取り、周囲が気体に 50 J の仕事をすると、規約 $\Delta U=Q+W_{on}$ では内部エネルギーが 250 J 増えます。同じ初状態と終状態を結ぶ別経路では熱や仕事が異なっても、内部エネルギー変化は同じです。