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熱と気体md a6d346b
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熱ねつと気体きたい

date2026-07-14document_iddoc_62152c8f9aae63bdc757dd8f7c759a58description温度・熱・圧力・体積・状態量を定義し、理想気体の状態方程式と単原子理想気体の内部エネルギーを証明付きで整理する講義である。prerequisites物理基礎ポータル / 単位・次元・有効数字type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/thermodynamics/thermodynamics-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/thermodynamics/heat-capacity-and-specific-heat-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/thermodynamics/first-law-of-thermodynamics.lecture.n.md
physicsthermodynamicsgaslecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、熱ねつ、温度おんど、内部ないぶエネルギーを違ちがいを説明せつめいする。

温度おんどは状態じょうたいを表あらわす量りょうである。熱ねつは温度差おんどさによって移動いどうするエネルギーであり、系けいの中なかに「熱ねつとして保存ほぞんされる」わけではない。気体きたいの状態じょうたいは、圧力あつりょく、体積たいせき、温度おんど、物質量ぶっしつりょうで記述きじゅつする。

2用語ようごと定義ていぎ

系けいsystemとは、注目ちゅうもくする対象たいしょうとして切きり出だした部分ぶぶんである。

温度おんどtemperatureとは、熱平衡ねつへいこうの向むきと熱ねつの移動方向いどうほうこうを決きめる状態量じょうたいりょうである。

熱ねつheat Q とは、温度差おんどさによって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る。

状態量じょうたいりょうstate functionとは、現在げんざいの状態じょうたいだけで決きまり、途中とちゅうの経路けいろによらない量りょうである。圧力あつりょく p、体積たいせき V、温度おんど T、内部ないぶエネルギー U が代表例だいひょうれいである。

理想気体りそうきたいideal gasとは、分子ぶんしの大おおきさと分子間力ぶんしかんりょくを無視むしできる気体きたいのモデルmodelである。

3方針ほうしん

熱力学ねつりきがくでは、まず状態じょうたいを表あらわす量りょうを決きめる。

  1. 気体きたいの状態じょうたいなら p,V,T,n を確認かくにんする。
  2. 理想気体りそうきたいなら pV=nRT を使つかう。
  3. 熱ねつが出でたら、状態量じょうたいりょうではなく移動いどうエネルギーとして読よむ。
  4. 内部ないぶエネルギーが出でたら、気体分子きたいぶんしの運動うんどうエネルギーとして見みる。

4整理せいり 1:状態量じょうたいりょうの変化へんかは経路けいろによらない

状態量じょうたいりょう X について、状態じょうたい A から状態じょうたい B への変化量へんかりょうは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔX=XB-XA

であり、途中とちゅうの経路けいろによらない。とくに同おなじ状態じょうたいに戻もどる循環過程じゅんかんかていでは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔX=0

である。

4.1証明しょうめい

状態量じょうたいりょうとは、状態じょうたいだけで値あたいが決きまる量りょうである。始点してんが A、終点しゅうてんが B なら、値あたいはそれぞれ XA、XB である。したがって変化量へんかりょうは

ΔX=XB-XA

である。途中とちゅうでどの経路けいろを通とおっても、始点してんと終点しゅうてんが同おなじなら XA と XB は変かわらない。よって ΔX は経路けいろによらない。循環過程じゅんかんかていでは A=B なので XB=XA であり、ΔX=0 である。

5方程式ほうていしき 2:理想気体りそうきたいの状態方程式じょうたいほうていしき

理想気体りそうきたいでは、圧力あつりょく p、体積たいせき V、物質量ぶっしつりょう n、絶対温度ぜったいおんど T の間あいだに

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]pV=nRT

が成立せいりつする。ここで R は気体定数きたいていすうである。

5.1証明しょうめい

理想気体りそうきたいの経験法則けいけんほうそくとして、温度おんどと物質量ぶっしつりょうが一定いっていなら

pV=一定

である。また、圧力あつりょくと物質量ぶっしつりょうが一定いっていなら V は T に比例ひれいし、同おなじ p,V,T では気体きたいの量りょうが 2 倍ばいなら n も 2 倍ばいである。したがって pV は nT に比例ひれいする。

その比例定数ひれいていすうを R と定義ていぎすると、

pV=nRT

を得える。

6関係式かんけいしき 3:単原子たんげんし理想気体りそうきたいの内部ないぶエネルギー

単原子たんげんし理想気体りそうきたいの内部ないぶエネルギーは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]U=32nRT

であり、温度おんどだけで決きまる。

6.1証明しょうめい

単原子たんげんし理想気体りそうきたいでは、分子ぶんしの内部振動ないぶしんどうや回転かいてんを考かんがえず、分子ぶんしの並進運動へいしんうんどうだけを考かんがえる。気体分子運動論きたいぶんしうんどうろんでは、

pV=13Nm⟨v2⟩

である。ここで N は分子数ぶんしすう、m は 1 分子ぶんしの質量しつりょう、⟨v2⟩ は速はやさの 2 乗じょうの平均へいきんである。

全ぜんての分子ぶんしの並進運動へいしんうんどうエネルギーは

U=N·12m⟨v2⟩

である。上うえの式しきから

Nm⟨v2⟩=3pV

なので、

U=12·3pV=32pV

である。理想気体りそうきたいの状態方程式じょうたいほうていしき pV=nRT を代入だいにゅうして

U=32nRT

を得える。

7単位たんいの確認かくにん

pV の単位たんいは

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

である。したがって nRT もエネルギーの単位たんいをもつ。

8見分みわけ方かた

  • p,V,T,n が出でたら、まず pV=nRT を考かんがえる。
  • 熱ねつ Q は状態量じょうたいりょうではなく、過程かていで移動いどうしたエネルギーである。
  • 単原子たんげんし理想気体りそうきたいの U は T だけで決きまる。

9どこまで成立せいりつするか

理想気体りそうきたいは近似きんじである。高圧こうあつ、低温ていおん、凝縮ぎょうしゅくに近ちかい状態じょうたいでは分子ぶんしの大おおきさや分子間力ぶんしかんりょくを無視むしできず、pV=nRT からずれる。内部ないぶエネルギー U=32nRT も、単原子たんげんし理想気体りそうきたいに限かぎった式しきである。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]pV=nRT
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]U=32nRT単原子理想気体

11一言ひとこと

温度おんどは状態量じょうたいりょう、熱ねつは移動いどうエネルギーである。この区別くべつが熱力学ねつりきがくの入口いりぐちである。

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