熱力学2008おさらい5

第5回おさらい

今日のおしながき

2 熱力学第一法則　
- 2-2　熱力学第一法則
  - 力学的エネルギー保存則
  - 断熱でのエネルギー保存
  - 断熱以外
  - 微少変化
  - 準静的過程での気体のする仕事

今日は熱力学第一法則の話に終始する．まず，力学的エネルギー保存則が何を言っているのかを確認する．高校のときにどんな表現で習ったかはわからないが，一番普遍的な形で説明しておいて，とくに，断熱過程に関して，保存則を拡張する．断熱過程なので，熱的作用を排除しておいて，外からの仕事が経路によらないとするわけである．ここで，力学の話と同じように．基準点を決めて，エネルギーを決めておく．もっともこのエネルギーは内部エネルギーと呼ばれていて，差引される共通項は考えなくてもよい．つまり，基準点が持っていると考える．次に，熱的作用も含んだ一般的な考える．当然このときに仕事や熱量はとちゅうの経路に依存するが，熱力学的状態は先の内部エネルギーも含めて，状態変数で指定されるので，過程の前後の状態は決まっていると考えることもできる．そのとき，内部エネルギー差を仕事で埋めても足りない部分を熱と呼ぶことにする．ここら辺りは当り前と言われるとそうは思えないだろう．エネルギー保存則を認めない立場に立てばこれはババを熱に押し込めているだけに見える．この反論に真向から反対することは，数学的にはできない．ここが物理の面白いところだと思う．この段階で，仕事や熱は状態量ではなくて，経路に依存することになる．このことをもっとも意識するのは，微小変化で表したときであろう．

その後で，準静的過程を導入して，そのときの気体のする仕事を求めておく．これが-PdVなのだが，この条件のもとでPdVだというわけである．最後に第一法則からの直接の帰結として，第一種永久機関が不可能であることを説明する．歴史的にはこれを否定することから熱力学の第一法則が生まれたといってもよい．ここでサイクルという過程を定義しておいた．