熱力学の第1法則：定義と例

熱力学の法則は、すべての物理学で最も重要な法則の一部であり、それぞれを適用する方法を理解することは、物理学の学生にとって非常に重要なスキルです。

熱力学の第一法則は本質的にエネルギー保存の法則ですが、多くの用途があります この特定の定式化では、熱などの問題を解決するかどうかを理解する必要があります エンジン。

断熱、等圧、等圧、等温プロセスとは何か、および熱力学の第1法則を適用する方法を学ぶ これらの状況での熱力学は、熱力学システムの動作を数学的に説明するのに役立ちます 時間とともに進化します。

熱力学の最初の法則は、他の熱力学の法則と同様に、いくつかの重要な用語を理解する必要があります。 ザ・システムの内部エネルギー孤立した分子系の総運動エネルギーと位置エネルギーの尺度です。 直感的には、これはシステムに含まれるエネルギーの量を定量化するだけです。

​熱力学的仕事は、システムが環境に対して行う仕事の量です。たとえば、熱によって引き起こされるガスの膨張によってピストンが外側に押し出されます。 これは、熱力学的プロセスの熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する方法の例であり、多くのエンジンの動作の背後にある基本原理です。

順番に、熱または熱エネルギー2つのシステム間の熱力学的エネルギー伝達です。 2つの熱力学システムが接触していて（絶縁体によって分離されていない）、温度が異なる場合、熱伝達はこのようにして、高温の物体から低温の物体に向かって発生します。 これらの3つの量はすべてエネルギーの形態であるため、ジュールで測定されます。

熱力学の第1法則は、システムに追加された熱が内部エネルギーに追加される一方で、システムによって行われる作業によって内部エネルギーが減少することを示しています。 記号では、∆U内部エネルギーの変化を示すために、Q熱伝達を表し、Wシステムによって行われる作業の場合、熱力学の第1法則は次のとおりです。

したがって、熱力学の第1法則は、システムの内部エネルギーを2つの形式のエネルギーに関連付けます。 発生する可能性のある転送。そのため、保存則のステートメントとして考えるのが最善です。 エネルギー。

システムの内部エネルギーへの変更は、熱伝達または熱伝達を伴う作業のいずれかによって発生します。にシステムと完了した作業

熱機関は、熱力学の第1法則の基本を理解するために使用できる一般的なタイプの熱力学システムです。 熱機関は基本的に、ガスのリザーバーに熱を加えることを含む4段階のプロセスを通じて、熱伝達を使用可能な作業に変換します その圧力を上げるために、それは結果として体積が拡大し、熱がガスから抽出されるにつれて圧力が低下し、最終的にガスは システムの元の状態に戻し、プロセスを最初からやり直すための作業が行われるときに、圧縮されます（つまり、ボリュームが減少します）。 再び。

この同じシステムは、多くの場合、カルノーサイクル、すべてのプロセスが可逆的であり、エントロピーの変化を伴わず、等温（すなわち、同じ温度で）膨張の段階があり、 断熱膨張の段階（熱伝達なし）、等温圧縮の段階、および元に戻すための断熱圧縮の段階 状態。

これらのプロセス（理想化されたカルノーサイクルと熱機関サイクル）の両方は、通常、PVダイアグラム（圧力-体積プロットとも呼ばれます）、およびこれら2つの量は、次のように述べている理想気体の法則によって関連付けられます。

どこP=圧力、V=ボリューム、n=ガスのモル数、R=ユニバーサルガス定数= 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹ そしてT=温度。 熱力学の第1法則と組み合わせて、この法則を使用して、熱機関サイクルの段階を説明できます。 別の有用な表現は内部エネルギーを与えますU理想気体の場合：

熱機関のサイクルを分析する簡単なアプローチは、プロセスが真っ直ぐなボックスで行われていることを想像することです。PVプロット。各段階は一定の圧力（等圧プロセス）または一定の体積（等圧プロセス）で行われます。

まず、V​₁、熱が加えられ、圧力がから上昇しますP​₁ にP​₂、およびボリュームが一定のままであるため、実行された作業がゼロであることがわかります。 問題のこの段階に取り組むために、第1状態と第2状態の理想気体の法則の2つのバージョンを作成します（Vそしてn一定です）：P​₁​V​₁ = ​nRT​₁ そしてP​₂​V​₁ = ​nRT​₂、次に最初の値を2番目の値から減算して、次の値を取得します。

温度変化を解くと、次のようになります。

内部エネルギーの変化を探す場合は、これを内部エネルギーの式に挿入できます。U取得するため：

サイクルの第2段階では、ガスの体積が膨張し（したがって、ガスが機能します）、プロセスでさらに熱が追加されます（一定の温度を維持するため）。 この場合、仕事Wガスによって行われるのは、単に体積の変化に圧力を掛けたものです。P​₂、これは次のようになります。

そして、温度の変化は、以前のように理想気体の法則で見つけられます（維持することを除いてP​₂ 定数として、音量が変化することを覚えておいてください）、次のようになります。

追加された熱の正確な量を知りたい場合は、一定の圧力で比熱方程式を使用してそれを見つけることができます。 ただし、以前と同様に、この時点でシステムの内部エネルギーを直接計算できます。

第3段階は、基本的に第1段階の逆であるため、一定の体積で圧力が低下します（今回はV​₂）、そして熱はガスから抽出されます。 理想気体の法則とシステムの内部エネルギーの方程式に基づいて同じプロセスを実行すると、次のようになります。

今回は、温度（したがってエネルギー）が低下したため、先頭のマイナス記号に注意してください。

最後に、最後の段階では、ガスと熱を抽出して作業を行うと、体積が減少します。 等圧プロセス、先行するものを除いて、前回の作業と非常によく似た表現を生成します マイナス記号：

同じ計算により、内部エネルギーの変化は次のようになります。

熱力学の第1法則は、おそらく物理学者にとって最も実用的に有用ですが、他の法則は 3つの主要な法律についても簡単に説明する価値があります（ただし、他の法律で詳しく説明されています） 記事）。 熱力学の第0法則は、システムAがシステムBと熱平衡にあり、システムBがシステムCと平衡にある場合、システムAはシステムCと平衡にあると述べています。

熱力学の第二法則は、閉鎖系のエントロピーは増加する傾向があると述べています。

最後に、熱力学の第3法則は、温度が絶対零度に近づくと、システムのエントロピーが一定値に近づくことを示しています。