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熱力学第一法則md 21e22d9
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熱力学ねつりきがく第一法則だいいちほうそく

date2026-07-14document_iddoc_aa841c5747344885e41ede38675f7227description熱力学第一法則を経験法則として置き、熱・仕事・内部エネルギーの符号規約、p-V仕事、等積・等温・断熱変化を整理する講義である。prerequisites熱と気体 / 熱容量と比熱の基本 / 仕事と力学的エネルギーtype講義statusactiverelateddata/lecture/physics/thermodynamics/thermodynamics-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/thermodynamics/heat-and-gases.lecture.n.md / data/lecture/physics/thermodynamics/heat-capacity-and-specific-heat-basics.lecture.n.md
physicsthermodynamicsfirst-lawlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、熱ねつ Q、仕事しごと W、内部ないぶエネルギー U を同おなじエネルギーでも役割やくわりで分わける方法ほうほうを説明せつめいする。

内部ないぶエネルギーは系けいの状態量じょうたいりょうである。熱ねつと仕事しごとは、系けいの境界きょうかいを通とおって移動いどうするエネルギーであり、経路けいろに依存いぞんする。第一法則だいいちほうそくは、この 3 つの収支しゅうしを書かいたエネルギー保存則ほぞんそくである。

2用語ようごと定義ていぎ

この講義こうぎでは、系けいへ入はいる熱ねつを Q>0、系けいが外部がいぶへする仕事しごとを W>0 と定義ていぎする。

熱力学第一法則ねつりきがくだいいちほうそくfirst law of thermodynamicsとは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔU=Q-W

で表あらわされるエネルギー保存則ほぞんそくである。

準静的過程じゅんせいてきかていquasi-static processとは、途中とちゅうの各状態かくじょうたいで圧力あつりょくや温度おんどが定さだまっているとみなせるほど十分じゅうぶんゆっくりした過程かていである。

3方針ほうしん

第一法則だいいちほうそくの問題もんだいでは、先さきに条件じょうけんを消けす。

  1. 等積とうせきなら W=0。
  2. 等温とうおんの理想気体りそうきたいなら ΔU=0。
  3. 断熱だんねつなら Q=0。
  4. 循環じゅんかんなら ΔU=0。

そのあと

ΔU=Q-W

へ代入だいにゅうする。

4基本法則きほんほうそく:第一法則だいいちほうそく

系けいへ熱ねつ Q が入はいり、系けいが外部がいぶへ仕事しごと W をしたとき、内部ないぶエネルギーの変化へんかは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔU=Q-W

である。

4.1位置いちづけと符号ふごうの確認かくにん

これは熱ねつ、仕事しごと、内部ないぶエネルギーを結むすぶ経験的けいけんてきな基本法則きほんほうそくとして採用さいようする。この講義こうぎでは、古典力学こてんりきがくから証明しょうめいする命題めいだいとしては扱あつかわない。

系けいへ入はいるエネルギーは内部ないぶエネルギーを増ふやす。熱ねつとして Q が入はいれば、内部ないぶエネルギーを Q だけ増ふやす向むきに働はたらく。

一方いっぽう、系けいが外部がいぶへ仕事しごと W をすると、そのエネルギーは系けいから出でる。したがって内部ないぶエネルギーを W だけ減へらす向むきに働はたらく。

内部ないぶエネルギーの増加ぞうかを「入はいったエネルギー」から「外そとへ出でたエネルギー」を引ひいたものとして記録きろくするので、

ΔU=Q-W

である。

5関係式かんけいしき 1:準静的じゅんせいてきな気体きたいの仕事しごと

気体きたいが準静的じゅんせいてきに体積たいせきを VA から VB へ変かえるとき、気体きたいが外部がいぶへする仕事しごとは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]W=∫VAVBpdV

である。

5.1証明しょうめい

断面積だんめんせき S のピストンを考かんがえる。気体きたいの圧力あつりょくを p とすると、ピストンに働はたらく力ちからは

F=pS

である。ピストンが距離きょり dx だけ動うごくと、気体きたいの体積変化たいせきへんかは

dV=Sdx

である。微小仕事びしょうしごとは

dW=Fdx=pSdx=pdV

である。全仕事ぜんしごとはこれを始状態しじょうたいから終状態しゅうじょうたいまで足たし合あわせたものなので、

W=∫VAVBpdV

を得える。

6整理せいり 2:代表的だいひょうてきな状態変化じょうたいへんか

理想気体りそうきたいについて、次つぎが成立せいりつする。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]等積変化ではW=0,ΔU=Q
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]等温変化ではΔU=0,Q=W
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]断熱変化ではQ=0,ΔU=-W

6.1証明しょうめい

等積変化とうせきへんかでは dV=0 なので、関係式かんけいしき 1 より

W=∫pdV=0

である。第一法則だいいちほうそくに代入だいにゅうすると

ΔU=Q

である。

等温変化とうおんへんかでは、理想気体りそうきたいの内部ないぶエネルギーは温度おんどだけで決きまるので、温度おんどが変かわらなければ

ΔU=0

である。第一法則だいいちほうそくより

0=Q-W

だから Q=W である。

断熱変化だんねつへんかでは、熱ねつの出入でいりがないので

Q=0

である。第一法則だいいちほうそくより

ΔU=-W

である。

7関係式かんけいしき 3:可逆断熱かぎゃくだんねつの pVγ=一定

理想気体りそうきたいが可逆かぎゃくかつ断熱だんねつに変化へんかし、熱容量比ねつようりょうひを

γ=CpCV

とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]pVγ=一定

である。

7.1証明しょうめい

断熱だんねつなので Q=0 である。第一法則だいいちほうそくは

dU=-pdV

となる。1 mol の理想気体りそうきたいでは

dU=CVdT

なので、

CVdT=-pdV

である。さらに pV=RT より

p=RTV

だから、

CVdT=-RTVdV

である。T>0 として両辺りょうへんを T で割わると、

CVdTT=-RdVV

である。R=Cp-CV=(γ-1)CV を使つかうと、

dTT=-(γ-1)dVV

である。積分せきぶんして

lnT+(γ-1)lnV=一定

を得える。すなわち

TVγ-1=一定

である。T=pV/R を代入だいにゅうすると

pVγ=一定

を得える。

8単位たんいの確認かくにん

pdV の単位たんいは

[Pa;ML-1T-2][m3;L3]=[J;ML2T-2]

であり、仕事しごとの単位たんいである。

9見分みわけ方かた

  • Q,W,ΔU が出でたら第一法則だいいちほうそくを立たてる。
  • 体積たいせき一定いっていなら W=0。
  • 理想気体りそうきたいで温度おんど一定いっていなら ΔU=0。
  • 断熱だんねつなら Q=0。
  • 循環じゅんかんなら ΔU=0。

10どこまで成立せいりつするか

W=∫pdV を p[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")]V 図ずの面積めんせきとして読よむには、途中とちゅうの圧力あつりょくが定さだまる準静的過程じゅんせいてきかていが必要ひつようである。また pVγ=一定 は可逆断熱かぎゃくだんねつの理想気体りそうきたいに対たいする式しきである。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔU=Q-W
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]W=∫pdV
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]pVγ=一定可逆断熱

12一言ひとこと

第一法則だいいちほうそくは、熱ねつと仕事しごとの出入でいりを内部ないぶエネルギーの変化へんかとして記録きろくする式しきである。

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