気体の状態の変化において、温度が一定の場合、圧力が一定の場合、体積が一定の場合、熱の出入りが無い場合、について説明します。

等温変化

温度が一定のまま圧力や体積が変わる変化を等温変化といいます。定温変化、定温過程などということもあります。

ボイル・シャルルの法則 pV/T = k において、T が一定で p V が変わる変化です。つまりボイルの法則が成り立つ変化です。

ΔU Q W の正負 等温変化は温度が変わらないので内部エネルギーも変わりません(温度≒内部エネルギー)。熱力学第1法則 ΔU = Q + W において ΔU = 0 です。ですので Q = - W です。これの意味は、気体に熱を与えるとその分だけ気体が膨張(等温膨張)して外部に仕事をし 温度が変わらないように気体を膨張させるとその分だけ熱を吸収し(Q >0、W <0)、気体を圧縮(等温圧縮)して外部から仕事をするとその分だけ熱が外部に放出される(Q <0、W >0)、という意味です。

p-V グラフ 等温変化を p-V グラフで表します。縦軸が圧力、横軸が体積です。右図の面積部分が仕事の大きさを表します。また Q = - W ですので面積部分は熱の大きさを表していることにもなります。

等圧変化

圧力が一定のまま温度や体積が変わる変化を等圧変化といいます。定圧変化、等圧過程などということもあります。

ボイル・シャルルの法則 pV/T = k において、p が一定で T V が変わる変化です。つまりシャルルの法則が成り立つ変化です。

ΔU Q W の正負 等圧変化は、自由に動くピストンを備えたシリンダーに気体が入れられているような場合の変化です。

外部から熱 Q を与えると、温度が上がり気体の内部エネルギー ΔU が増えます。(ΔU >0)。そうすると圧力が高まってピストンを外側に押します。つまり気体が外部に仕事をします。熱力学第1法則 ΔU = Q + W  W は外部から気体にした仕事と定義しましたので、この場合は逆向きなので W <0 です。もし定義を変えて、気体が外部にする仕事を W とすれば(4-3-2-2 の補足「仕事の正負」参照)、W >0 であり、熱力学第1法則は ΔU = Q - W と書き変わります。(この式は Q = ΔU + W と表現することもあります)。

Q が外部に放出される(Q <0)場合は、気体の温度が下がり内部エネルギー ΔU が減ります。(ΔU <0)。そうすると圧力が下がって外側の圧力に負けピストンが内側に移動します。つまり外部から気体に仕事をされます。(W >0 ←外部から気体にする仕事をW と定義した場合)。

このように各量の正負はとてもややこしいです。熱 Q の定義も逆向きになるときがあります。

p-V グラフ 等圧変化を p-V グラフで表します。右図の面積部分が仕事の大きさです。

定積変化

体積が一定のまま温度や圧力が変わる変化を定積変化といいます。等積過程、定容変化などということもあります。

ボイル・シャルルの法則 pV/T = k において、V が一定で p T が変わる変化です。この変化にはボイルの法則とかシャルルの法則などという名前は付いてません。

ΔU Q W の正負 体積が変わらないので仕事は0です(4-3-2-2 の補足参照)。熱力学第1法則 ΔU = Q + W においてW =0です。ですので ΔU = Q です。気体に熱を加えるとその分だけ内部エネルギーが増加します。(Q >0、ΔU >0)。気体から熱を奪うとその分だけ内部エネルギーが減少します。(Q <0、ΔU <0)。

定積変化はピストン付きシリンダーにおいてピストンが固定されているような変化です。熱を加えられて内部エネルギーが増加して圧力が増加してピストンを押そうにもピストンが動かないという状態です。

p-V グラフ 定積変化を p-V グラフで表します。面積部分はありません。仕事は 0 です。

断熱変化

ここまで3種類の変化を見てきましたが、ここまでの3種類の変化は熱の出入りがある変化でした。そうではなく、熱の出入りができないようにして、圧力、体積、温度を変える変化を断熱変化といいます。断熱材でできた容器内で行われる変化です。

ボイル・シャルルの法則 pV/T = k において、p V T も変わってしまいます。

ΔU Q W の正負 熱の出入りがないので Q =0 です。熱力学第1法則 ΔU = Q + W において Q が 0 でありますので、ΔU = W です。

断熱容器における気体の圧縮(断熱圧縮)では、外部から気体にした仕事の分だけ気体の内部エネルギー(つまり温度)が増加します。(W >0、ΔU >0)。

断熱容器における気体の膨張(断熱膨張)では、気体が外部にした仕事(=外部から気体にした負の仕事)の分だけ内部エネルギー(つまり温度)が減少します。(W <0、ΔU <0)。

p-V グラフ 断熱変化を p-V グラフで表します。上の等温変化のグラフと似ていますが、角度がちょっと急です。

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