等温変化と断熱変化の違い

質問

よろしくお願いします。物理の熱のところについて質問させてください。

ピストンを動かすときに等温変化や断熱変化、定積変化、定圧変化などがありますが、定積変化や低圧変化はわかるのですが、等温変化と断熱変化の違いがわかりません。
どちらも温度、つまり熱の移動がない変化ということではないかと思うのですが、テキストでは、条件が違います。
等温変化のときは、ΔU=0で
断熱変化のときは、Q=0となっていました。
自分は同じ熱の移動がないという変化なのに、どうして条件が違うのか疑問です。
Uは内部エネルギーで、Qは熱量です。
等温変化のときは、ΔU=0のみが条件だとすると、
式ΔU=W+Qより、
Q＝０でなくてもいいということですか？つまり、W＝-Qであれば、Qは０でなくてもいいということでしょうか？
温度イコール熱ではないのでしょうか？
いまいち断熱変化と等温変化の違いがよくわかりません。

教えていただけるとうれしいです。よろしくお願いします。

回答No.4

ht1914 · ベストアンサー

ピストンを押して気体を圧縮したとします。
この時の変化は等温、断熱のどちらでしょうか。

多分この辺がわかりにくいのだと思います。
この操作自体はボイルの法則のところで当たり前に様にして出てきます。でも操作だけなんです。
「温度一定の条件で」とか「温度が変わらないようにして」という注が付いています。「温度が変わらないようにしようと思えばどうすればいいか」には触れられていません。

実際にやると等温、断熱の間の変化が起こります。
圧縮すると体積が減ります。いくらか温度も高くなります。自転車の空気入れ（金属製のもの）のようなものだと手で触って感じることが出来るほどです。しばらく待つとわからなくなります。
温度が上がったということは内部で熱が生じ、外に出てきたということです。温度が上がっていますから等温ではありません。外に熱が出てきていますので断熱でもありません。熱が外に出てきていますので出てこない場合に比べると内部の温度上昇は小さくなっているはずです。
ピストンとシリンダーの構造や材質を変えることによって熱が外に出てくるのをいくらか押さえることが出来ます。でも何時も時間の尺度が問題になります。時間が経つと外部の温度と同じになります。構造や材質を変えることによって外部の温度と同じになる時間を速くする事も出来ます。
普通に起こる圧縮の場合、断熱変化と等温変化の間の変化が起こっています。「全く熱の移動が起こらない」という条件と「十分に熱の移動が起こる」という条件は２つの極限的な条件です。理想的な条件です。

等温変化の場合、熱のやりとりの出来る大きな物体と接触しているとしています。「熱浴」と言います。
空気中でやるとき、少し待てば周りの空気と同じ温度になる、それによって空気の温度は上昇しないと考えるとが出来るのであれば空気が熱浴であることになります。空気の温度がどうしても高くなるというのであれば熱浴としては不充分だということになります。水の中に浸けるという場合であれば水槽の中の水が熱浴になります。

等温変化を実現するためには十分熱容量の大きな熱浴と接触させるという但し書きがたいてい書かれています。

＃１のご回答で「氷水」を考えられているのも熱浴の工夫の一つです。水だと温度が上がってしまうかもしれないですが氷水だと氷が溶けてしまうまでは温度が上がらないので等温変化が実現するという工夫です。でもこれだと温度を選べませんね。温度コントロールの出来る水槽でやると氷水よりは等温条件は悪くなるかもしれませんが温度を選ぶことは出来ます。

等温変化はまだ工夫すればいくらか実現しているというイメージが取りやすいです。断熱変化は逆の場合の極限ですから実現の程度を知るのが難しいです。接触している２つの物体の間では必ず熱の移動があるはずですから完全な断熱は不可能です。完全に断熱させているとしたときの変化の予想値と実際とを照らし合わせることによってどの程度断熱条件が実現されているかを調べるということしか手がないのだと思います。熱力学では理想的に断熱されているとして温度変化がいくらになるかを求めることが出来ます。

質問者様は温度と熱の違いも混乱があるようです。
この違いは先にハッキリさせておく方がいいと思います。

お礼

御回答ありがとうございます。
なんとなくわかったような気がします。

「等温変化」の等温とは、中に入っている気体に注目していて、特別な状況でないときは、発生したエネルギーは、内部の気体の温度変化だけに使われるのではなく、内と外の気体の温度が等しくなるように使われて、外が空気の場合は、あまりにも量が多いので、結局エネルギーは外にすべてながれてしまうため、内部の気体は温度変化がないため、等温変化。

「断熱変化」の断熱とは、内部のエネルギーが外にもれない、ということですね。その結果、発生した熱量はすべて内部の気体の温度変化に使われるということですね。

ご指摘のように、熱、と温度が区別できていませんでしたが、熱変化は温度変化に使われるわけではなく、外に流れていってしまうこともあるということですね。

＞「全く熱の移動が起こらない」という条件と「十分に熱の移動が起こる」という条件は２つの極限的な条件です。理想的な条件」で実際は、特別な装置がない状況では、等温変化と断熱変化の中間のような変化が起こる、ということですね。

ちゃんと理解できているといいのですが。
すごくわかりやすかったです。ありがとうございました。

回答No.7

noname#56760

追加
問題によってはWの定義が指定してある場合があるので、どちらの式にも対応できるようにしておいたほうがよいです。

回答No.6

noname#56760

Q=ΔU＋WとΔU=W+Q(⇔Q=ΔU-W)
はWの意味が逆なだけです
Q=ΔU＋WのWは気体が外部に対してした仕事
Q=ΔU－WのWは気体が外部からされた仕事
です。

お礼

そうなのですね。

回答No.5

noname#56760

Q=ΔU＋W
ですが人間にたとえると分かりやすくなります。
Ｑ：食べ物
ΔＵ：脂肪の増減（体に蓄えられるエネルギー）
Ｗ：外に対して行った仕事（例；荷物運びとか）

断熱変化ではＱ＝０ですから人間で言えば、何も食べていない（断食）状態です。
つまり、自分の脂肪を燃やして、そのエネルギーだけで仕事をしている状態です。

等温変化ではΔＵ＝０ですから人間で言えば、脂肪の増減がないということです。つまり、食べ物を摂取しても、その分が仕事で消費されれば、脂肪は付きません。（大食いでも運動ばかりしている人は太らないのと同じ）

お礼

ΔU=W+Qでしょうか？
この式はわかるのですが、断熱と等温変化の違いがよくわかりませんでした。
御回答ありがとうございます。

回答No.3

noname#40706

すみません
文が正確でなかったようですね。

＜＜あるいは、温度が変わらないように、外から上手にエネルギーを補給してあげましょう、ということです。（それが氷水に漬けた理由です。）＞＞

上の文はまずいですね。

この場合は、外から仕事というエネルギーをもらったが、その分を氷水に熱として放出した　という意味です。　それが差し引き０　つまり温度変化なしということです。

ぴったり差し引き０になるようにするために氷水に浸したということです。

お礼

何度も御回答頂き、ありがとうございます。
今回の例では、気体は仕事をされたが、そのぶん熱量を放出したため、内部エネルギーUは０となっているわけですね。
では断熱変化のときはどんな感じなのでしょうか？

回答No.2

noname#40706

熱と温度

ふつう、熱が外に移動したら、温度は下がります。ですがこの場合は、それにみあった仕事を外部からしてもらって、エネルギーを補給してもらっています。

あるいは、温度が変わらないように、外から上手にエネルギーを補給してあげましょう、ということです。（それが氷水に漬けた理由です。）

３００円　使ってしまったけれど、３００円　お母さんからこづかいをもらったのです。

使った３００円＝　外に移動した熱
もらった３００円＝外からされた仕事

回答No.1

noname#40706

とりあえず、

等温変化　は　外部との熱のやりとりがあります。参考書などの文をもう一度よく見直してくださいね。

例
ピストンを氷水に入れて、充分時間がたち、ピストンの内部の気体が０°になってから、以下の変化をさせてみましょう。

氷水に入れたまま、ピストンをゆっくり押して気体の体積を小さくします。このとき、気体の温度が上がろうとしますが、その熱が氷水に移動して、気体は０°のまま、体積が減ります。
こんな場合が等温変化なのです。

このとき、

ΔU=W+Q　で、ΔU＝０　ですから、ｗ＋Ｑ＝０　ここで　気体は外から仕事をされて、体積が減ってますから、Ｗ＝０でない。したがって、Ｑも０ではない・・・ということです。
ＷやＱの正負については結構ややこしく感じられると思いますので、参考書などの文をよく読んで理解してください。