【目からうろこの熱力学】その３

　熱力学第一法則はエネルギー保存の法則です。

「力学的エネルギー以外に、物質が内部エネルギーを持っている」と考えれば、エネルギー保存則はどんな場合にも成り立つ。これが熱力学第一法則です。

　内部エネルギーは何ら特別なものではなく、石油のエネルギー、食品のエネルギー（カロリー）など、私たちが普段エネルギーと呼んでいるものの多くは内部エネルギーです。

　難しいことは何もありません。
　ちょっと熱力学第一法則に足を踏み入れてみましょう。　

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日常会話で使う「エネルギー」

エネルギーという言葉を使う例

・日本では、ひとり当たり年間で石油3.5トンのエネルギーを消費しています（2012年）。

・成人は、一日2000キロカロリー程度のエネルギー摂取が必要です。

　普段私たちは、エネルギーという言葉を、こんな感じで使われていることが多いでしょう。この場合のエネルギーって何でしょうか？　運動エネルギー？　位置エネルギー？

　どちらでもありませんよね。

　力学的エネルギー保存の法則に使われ、力学の法則から導かれる「運動エネルギー」や「位置エネルギー」とは違うものを私たちはエネルギーと呼んでいるのです。

「石炭のエネルギー」と言うとき、石炭の塊が動いている「運動エネルギー」や石炭が高いところにある「位置エネルギー」を指すことはありません。

　これらは、何のエネルギーなのでしょう。

新しいエネルギー、内部エネルギー

　熱力学第一法則では、物質は動いていたり、高いところにあったりしなくても、存在するだけでエネルギーを持っていると考えます。これを内部エネルギーと呼びます。

　運動エネルギー、位置エネルギーに加え、内部エネルギーを導入することで、エネルギー保存則がどんな場合も成り立つというのが、熱力学第一法則です。

　ですから、摩擦などによって力学的エネルギー保存則が成り立っていない場合、それを打ち消す分、何かの物質の内部エネルギーが変化していることになります。

　もちろん、適当に導入した訳ではありません。そう考えることで、数多くの現象が説明でき、実際に実験を積み重ねて導かれたものです。

内部エネルギーの正体

　内部エネルギーを導入して、エネルギー保存則はどんな場合も成り立つと仮定すれば、色々な現象や実験結果が上手く説明できます。

　しかし、元々エネルギー保存則は力学の法則から導かれたものです。

　それに、勝手に新しくエネルギーを付け加えたりしても大丈夫なのでしょうか？
　というより、何故それで上手くいくのでしょうか？

　実は、内部エネルギーとは言っても、その正体は何らかの運動エネルギーや位置エネルギーなのです。例えば分子が動いている運動エネルギーや、分子に働く電気的な力の位置エネルギーなどでです。

　それ以外にも分子内部の原子の運動エネルギーや位置エネルギー、原子核を回る電子の運動エネルギー、原子核内の陽子や中性子の運動エネルギーや位置エネルギー（核力と呼ばれる力に対するもの）、色々です。

　このような私たちの目に見えないエネルギーを全てひっくるめて「内部エネルギー」と呼んでいるのです。熱力学第一法則は、力学の法則を無視したものではなく、きちんと力学の法則に則った法則です。

（参考記事：内部エネルギーの絶対値はどのくらい？）

熱というもの

熱もエネルギーの一種？

　熱力学第一法則では、もうひとつ大事な概念があります。「熱」です。「熱エネルギー」という言葉があるのですから、熱もエネルギーの一種と考えることができます。実際に、熱力学の教科書にも、熱はエネルギーだと書かれている場合もあります。

　しかし、これは誤解を招きやすい説明です。実は「熱エネルギー」は、「運動エネルギー」「位置エネルギー」「内部エネルギー」と同列で扱うべきものではないのです。

　では、何と同列に扱うべきものでしょうか。

熱はエネルギーの移動方法のひとつである

　熱は、エネルギーが移動する方法のひとつなのです。

　Aという物質からBという物質に熱が移動したとき、Aのエネルギーが低下し、その分Bのエネルギーが増加します。

　前回の記事で、仕事とはエネルギーの移動だと説明しました。それと同じです。熱は「運動エネルギー」や「位置エネルギー」と対比するものではなく「仕事」と対比するものなのです。

　これで、熱力学第一法則によって、力学的エネルギー保存の法則が摩擦のある場合にも適用できる理由がわかります。

　動いている物体が摩擦で止まるとき、物体の運動エネルギーが摩擦熱という形で周囲に伝わり、周囲の空気などの内部エネルギーに変化しているのです。

　やりました！　摩擦があってもエネルギーは保存します！　面倒なエネルギーの定義から離れることができました。

熱と仕事の違い

　熱と仕事は、ともにエネルギーの移動方法です。このふたつは何が違うのでしょうか。実は、この違いを明らかにすることが熱力学の本題です。何しろ「熱力学」です。熱とはどんなもので、どんな性質を持っているのか、それを知るのが「熱力学」です。

「エネルギー」だけではありませんでした。それ以上に良く使う「熱」という言葉も「熱力学」を知らなければ説明できないものでした。ということです。

「熱とは何か」はおいおい説明していくことにして、熱力学の大事な約束事を示しておきます。

　エネルギーが移動する場合、「熱」以外の移動方法を「仕事」と呼ぶ、

　これが大事な決めごとです。

　力学的エネルギー保存則では仕事は「仕事とは力×動かした距離」で定義されていました。もちろん、これも熱力学の「仕事」の一種です。それ以外にも「電力」など、「熱」とは違う方法でエネルギーが移動することを全て仕事と呼ぶのです。

　何故このように分けるのでしょうか？

　実は、色々あるエネルギー移動の中で、熱だけが特別な特徴を持っているのです。

　このことは、熱力学第二法則の説明で出てきますので、その時にあらためて説明します。

熱力学第一法則

熱力学第一法則を表す式

　熱力学第一法則は、通常下のような式で表されます。

　ΔＥ＝q＋ｗ

　ΔＥは内部エネルギー変化、ｑは与えられた熱、ｗは与えられた仕事です。

　Δという訳のわからない記号を除けば、単なる足し算だけです。Δは変化量を表す記号で、Ｅ1のエネルギーを持っていたものがＥ2のエネルギーに変化したとき、Ｅ2－Ｅ１をΔＥと呼ぶ、それだけのことです。

　結局、物質にqの熱とｗの仕事が与えられたら、物質の内部エネルギーはｑ＋ｗだけ大きくなるという式に過ぎません。当然ですよね。ｑ＋ｗのエネルギーが移動してきたのですから。

何故Δ？

　ΔEが、Ｅ2－Ｅ１なら、最初からそう書けよと言いたくなります。でも、これには理由があります。重要なのは、ΔＥ、つまりＥ2－Ｅ１の値だけで、Ｅ2やＥ1の値はどうでもいいのです。

　例えば、ある物体を１ｍ持ち上げたとします。するとその物体の位置エネルギーが増加します。その増加量は場所によって変わることはありません。一階で持ち上げても、二階で持ち上げても、持ち上げた高さが１ｍなら同じことです。

　物体の高さが、海抜０ｍから１ｍに変化した場合も、海抜100mから101mに変化した場合でも同じです。この海抜で表した高さに相当するのがＥ1やＥ2で、持ち上げた量の１mに相当するのがΔＥです。

　海抜というのは、海水面の平均を0mとするという基準で示した高さに過ぎません。高さは基準を変えれば、それに応じて変わる数字なのです。

　Ｅ1やＥ2も同じです。内部エネルギーの基準の取り方で変わる数字です。そんなあやふやなものではなく、どこを基準にしても同じ値になるΔＥだけで議論しましょうということでΔＥを使っているのです。

「ちょっと待て。エネルギーは０という基準があるじゃないか」という反論があるかもしれません。それについてはいつかまた説明するとして、とりあえず「熱力学の範疇ではエネルギー０の基準を決めることはできない」と考えておいてください。

熱力学入門
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