永久機関を知っているな?ただしこれにも種類があって第1種永久機関と第2種永久機関がおもに知られているんだ

そもそも、近代科学が今のように発展する前は永久機関を作ろうと研究に没頭していた「科学者」がたくさんいたとされる。しかしです、その全ては失敗に終わったんだよ。

これらの研究に失敗したという反省から熱力学の諸法則は生まれたといっていのです。それらが熱力学第1法則と第2法則なのです。今回は熱力学の法則についてタッケさんと解説していきます。

ライター/タッケ

物理学全般に興味をもつ理系ライター。理学の博士号を持つ。専門は物性物理関係。高校で物理を教えていたという一面も持つ。第1種永久機関が不可能なのは子供でもわかるレベルだが、第2種永久機関は熱力学第1法則に反していないのでわかりにくい。真剣に研究している人もいるとのこと。

ジュール

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ジュールという人を知っていますか。
あまり馴染みはなくても、単位の J [ジュール] にその名を残しているので、ああ、あのジュールか、と思う人は多いでしょう。

ジュールはイギリスの科学者です。大学教育等は受けていなくてほぼ独学で物理学など科学の研究をしていました。ジュールは実家の醸造所の脇に研究室を建設して研究に勤しみました。

彼の実家が醸造業を営んでおり豊かだったので、彼の研究を支えることができたと言われています。

やはり研究を続ける上で、研究費とかの財政面は大事ですね。

熱素説

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当時、熱現象と仕事は別のものだと考えられていました。
熱素」と言われるものが物質中に存在し、それが移動することによりものが温まったり冷えたりすると考えられていました。
高温部から低温部へ熱素が移動するというわけですね。
そして熱平衡に達すると熱素の移動は止まる。

例えば、熱い物質中には熱素がたくさんあり、それに接触した物体は熱素を受け取ることにより、温められると考えられていたのです。

この考え方だと、物質中の熱素がなくなった時点で熱の移動は終了し、それ以降は物体は温められなくなると考えられます。

ところが当時、大砲を製造するとき、ドリルで砲身をくり抜く作業をし続ける限り大砲の砲身はずっと熱くなっていることから、熱素説は否定されたのです。

つまり、作業(仕事)することでいくらでも熱は作り出されると言うことに気がついたというわけですね。

ジュールの実験

JouleWater-ChangingApparatus.png
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ジュールは、仕事が熱へ変換可能だという仮定のもと、ある実験を行いました。
上の図が彼の実験装置です。

両端にぶら下げた重りが重力により下がることを利用して、断熱槽の中の水をかき回します。その結果、かき回された水は温度が上昇しました。
その結果、加えた仕事と水の得た熱の比率はいつも一定であることを見出したのです。

ジュールはこの実験装置を使って、重力のする仕事が水の熱に変化することを証明しました。

そして、1[ J ] の仕事が、約 4.19 cal (カロリー) に匹敵することを突き止めたのです。
これを熱の仕事当量といいます。 

つまり、従来別だと思われていた、熱と仕事は等価であることが明らかになったということですね。

他にも、運動、化学反応、電気反応などについても熱と交換可能であることが示されたのです。

このように見た目や状態が全く異なる現象が交換可能であったという事実から、物事の本質として、すべての熱を伴う現象に共通する「何か」があると科学者たちは考えました。

そして、これを広く一般に「エネルギー」と名付けたのです。
こうして、仕事や熱などの現象はエネルギーという概念でつながりました。

熱力学第1法則

ここでは気体について考えます。
気体は小さくてたくさんある気体分子からできていますが、これらは飛び回っているため運動エネルギーを持っていますね(熱力学的にはこれらが気体の圧力の正体です)。
また、気体分子どうしは引きつけ合ったり反発し合ったりしていますから、位置のエネルギーも持っています。

気体でこれらをすべて足し合わせたものが、その気体の持つ内部エネルギーと言われるものです。通常はこれを U で表します。

\次のページで「熱力学第1法則の他の表現」を解説!/

image by Study-Z編集部

そこで、熱力学第1法則です。図では注射器のようなピストンとシリンダーを持つ容器に気体が封入されています。

気体にQ [ J ] の熱量をあたえる。W [ J ] の仕事を気体に加えたとすると、気体の内部エネルギーの増加分⊿Uとした場合、

⊿U=Q+W

と定義される。

この式を見ると、ただの足し算ですから数学的には難しくはありません。
しかし、この式にはジュールたち当時の科学者が発見したエネルギーについての保存法則が示されているのです。

つまり、エネルギーは常に一定で保存されるのだということですね。
外部から気体に与えられた熱エネルギーと仕事の足したものは、気体の内部エネルギーが増えた分に等しいと言っているだけです。

つまり、エネルギーは増えも減りもしていないと言っているのと同じですね。

この場合、熱量Qが気体を温めるとき Q を正、
仕事 W は気体を圧縮する場合に W を正とします。(気体体積が減少する場合に w が正)

熱力学第1法則の他の表現

記述によっては気体に加える仕事 W を、気体がする仕事 W' と書き換えているものもあるので注意が必要です。

ここで、W と W' の関係は  W=-W'となることに注意してください。

この場合、熱力学第1法則は次の式で示されます。

気体に Q [ J ] の熱量をあたえる。W’ [ J ] の仕事を気体がしたとすると、気体の内部エネルギーの増加分⊿Uとした場合、

⊿U=Q - W’

あるいはこれを変形して

Q= ⊿U + W’

ですね。用語には十分注意してください。

第1種永久機関

Perpetuum1.png
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第1種永久機関をご存知でしょうか?

外部からエネルギーを補給することなく永久に動き続け、かつ新たにエネルギーを生み出すことができる夢の機械です。

図に示したのは考えられたもののうちの一つですね。

おもりが回転の左右で非対称にぶら下げられています。
この図において回転中心から見て右側にはおもりが少なく、左にはおもりが多くなっていますね。
したがって、重たいために全体が最初左に回転します。次に、それにつれて上部のおもりが「カタン」と左側に落ちて全体に撃力を加える。こうして回転と仕事を続けるというのですが、いかがでしょう?

皆さんもおわかりだと思いますが、ここで上げたような単純な機械では、エネルギーは増減しないとした熱力学第1法則に反しているのは明らかですね。

過去、実際にはいろいろな永久機関が考案されたそうですが、全て失敗に終わっています。

このようなかずかずの失敗の経験から熱力学第1法則、さらに熱力学第2法則(エントロピー増大の法則)が提唱されたとも言えるのです。

熱力学第1法則は世の中を支配する基本法則のひとつ

熱力学第1法則は教科書等では気体の分野で扱われることが多く、気体の法則の一つだと思っている人も多いようです。

しかし、実は世の中を支配する根本法則の一つであるエネルギー保存法則を表しているのですね。

「宇宙のエネルギーは増えも減りもしない」という経験則とも言えるものです。
熱力学第1法則は運動量保存則とともに古典物理学でも現代物理学でも共通して成立している根本法則といえます。

" /> 「熱力学第一法則」はエネルギー保存則?理系ライターがわかりやすく解説 – Study-Z
熱力学物理理科

「熱力学第一法則」はエネルギー保存則?理系ライターがわかりやすく解説

永久機関を知っているな?ただしこれにも種類があって第1種永久機関と第2種永久機関がおもに知られているんだ

そもそも、近代科学が今のように発展する前は永久機関を作ろうと研究に没頭していた「科学者」がたくさんいたとされる。しかしです、その全ては失敗に終わったんだよ。

これらの研究に失敗したという反省から熱力学の諸法則は生まれたといっていのです。それらが熱力学第1法則と第2法則なのです。今回は熱力学の法則についてタッケさんと解説していきます。

ライター/タッケ

物理学全般に興味をもつ理系ライター。理学の博士号を持つ。専門は物性物理関係。高校で物理を教えていたという一面も持つ。第1種永久機関が不可能なのは子供でもわかるレベルだが、第2種永久機関は熱力学第1法則に反していないのでわかりにくい。真剣に研究している人もいるとのこと。

ジュール

image by iStockphoto

ジュールという人を知っていますか。
あまり馴染みはなくても、単位の J [ジュール] にその名を残しているので、ああ、あのジュールか、と思う人は多いでしょう。

ジュールはイギリスの科学者です。大学教育等は受けていなくてほぼ独学で物理学など科学の研究をしていました。ジュールは実家の醸造所の脇に研究室を建設して研究に勤しみました。

彼の実家が醸造業を営んでおり豊かだったので、彼の研究を支えることができたと言われています。

やはり研究を続ける上で、研究費とかの財政面は大事ですね。

熱素説

image by iStockphoto

当時、熱現象と仕事は別のものだと考えられていました。
熱素」と言われるものが物質中に存在し、それが移動することによりものが温まったり冷えたりすると考えられていました。
高温部から低温部へ熱素が移動するというわけですね。
そして熱平衡に達すると熱素の移動は止まる。

例えば、熱い物質中には熱素がたくさんあり、それに接触した物体は熱素を受け取ることにより、温められると考えられていたのです。

この考え方だと、物質中の熱素がなくなった時点で熱の移動は終了し、それ以降は物体は温められなくなると考えられます。

ところが当時、大砲を製造するとき、ドリルで砲身をくり抜く作業をし続ける限り大砲の砲身はずっと熱くなっていることから、熱素説は否定されたのです。

つまり、作業(仕事)することでいくらでも熱は作り出されると言うことに気がついたというわけですね。

ジュールの実験

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ジュールは、仕事が熱へ変換可能だという仮定のもと、ある実験を行いました。
上の図が彼の実験装置です。

両端にぶら下げた重りが重力により下がることを利用して、断熱槽の中の水をかき回します。その結果、かき回された水は温度が上昇しました。
その結果、加えた仕事と水の得た熱の比率はいつも一定であることを見出したのです。

ジュールはこの実験装置を使って、重力のする仕事が水の熱に変化することを証明しました。

そして、1[ J ] の仕事が、約 4.19 cal (カロリー) に匹敵することを突き止めたのです。
これを熱の仕事当量といいます。 

つまり、従来別だと思われていた、熱と仕事は等価であることが明らかになったということですね。

他にも、運動、化学反応、電気反応などについても熱と交換可能であることが示されたのです。

このように見た目や状態が全く異なる現象が交換可能であったという事実から、物事の本質として、すべての熱を伴う現象に共通する「何か」があると科学者たちは考えました。

そして、これを広く一般に「エネルギー」と名付けたのです。
こうして、仕事や熱などの現象はエネルギーという概念でつながりました。

熱力学第1法則

ここでは気体について考えます。
気体は小さくてたくさんある気体分子からできていますが、これらは飛び回っているため運動エネルギーを持っていますね(熱力学的にはこれらが気体の圧力の正体です)。
また、気体分子どうしは引きつけ合ったり反発し合ったりしていますから、位置のエネルギーも持っています。

気体でこれらをすべて足し合わせたものが、その気体の持つ内部エネルギーと言われるものです。通常はこれを U で表します。

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