高校発展Chapter 23約10分
熱力学第一・第二法則
第一法則 = エネルギー保存。第二法則 = 熱は必ず高温から低温へ。この2つが熱力学の全て。
#熱力学#内部エネルギー#エントロピー#熱機関#カルノー
つまり「2つだけ覚える」
第一法則：ΔU = Q − W（エネルギー保存）
第二法則：熱は自然に高温→低温にしか移動しない
第一法則 ΔU = Q − W
| 変数 | 意味 |
|---|---|
| ΔU | 内部エネルギーの変化 |
| Q | 系が吸収した熱量 |
| W | 系が外部にした仕事 |
| 変化の種類 | 条件 |
|---|---|
| 断熱変化 | Q = 0、ΔU = −W |
| 等積変化 | W = 0、ΔU = Q |
| 等温変化（理想気体） | ΔU = 0、Q = W |
第二法則とエントロピー
「乱雑さ（エントロピー）は自然に増加する」
コーヒーに砂糖を入れると自然に混ざる → 逆は起きない
「すべての熱を仕事に変換することはできない」
→ 熱機関には必ずロスが生まれる。
カルノー効率（最大効率）
TH = 高温熱源の温度（K） TL = 低温熱源の温度（K）
どんなに頑張っても、この効率を超えられない。
💡豆知識
蒸気機関の効率をめぐる研究が熱力学を生んだ。19世紀初頭、蒸気機関の効率は数%しかなかった。「もっと効率的にできないか？」という工学的な問いに答えようとした結果、熱力学第一・第二法則が確立された。純粋に理論から始まった学問ではなく、産業革命の実用的な要求が生み出した学問だ。
⚠よく間違えるところ
「熱機関の効率100%は不可能」というのは熱力学第二法則の帰結で、技術の進歩で解決できる問題ではない。どれだけ摩擦を減らし、材料を改善しても、カルノー効率 e = 1 - TL/TH を超えることは原理的に不可能。永久機関が存在できない理由もここにある。
✓重要ポイント
まとめ
- 第一法則：ΔU = Q − W（エネルギー保存）
- 第二法則：熱は高温→低温、エントロピーは増大
- カルノー効率：e = 1 − TL/TH
- 等温変化：ΔU = 0（理想気体）
まとめ
- 第一法則：ΔU = Q − W
- 第二法則：熱は高温→低温、エントロピーは増大
- カルノー効率：e = 1 − TL/TH
- 等温変化：ΔU = 0（理想気体）
// quiz
確認問題
Q1.熱力学第一法則 ΔU = Q - W の W は何か？
Q2.熱力学第二法則の内容はどれか？
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