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気体の内部エネルギーについて
高校物理の内容について気になったことがあったので質問します。 「温度を一定に保ちながら気体を圧縮したとき、内部エネルギーの変化は０である」と習いました。 しかしボイルの法則によると、温度Tを一定にしたとき体積Vと圧力Pは反比例します。つまり、圧縮すると内部の圧力は増加するということです。 これが矛盾しているように感じます。 圧縮した状態で釣り合って止まっているということは、圧縮しているピストンに対抗した「力」をその気体が出しているということになりませんか？その「力」を出す分だけ内部エネルギーも増加しているのではないでしょうか・・・？ 分かりづらくてすみません＞＜
- snowboll_yuki
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- 物理学
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- rnakamra
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人間の体は力を出すとエネルギーを消費しますが、これは筋肉の収縮を維持するため細胞内でイオンの移動などの仕事をする必要があるためです。もしその熱の発生がなければどんなに大きな力を出していても動かなければエネルギーの消費はゼロです。 物理学的には力の大きさの変化だけでエネルギーが消費されることはありません。エネルギーの大きさで力の大きさが決まるわけではありません。 同じ質量の物体を高さ1mに引き上げた場合と高さ2mに引き上げた場合では後者の方が重力による位置エネルギーは大きくなりますが作用している重力の大きさは同じです。 同じ物体を高さ1mある場合と高さ1万kmにある場合では後者の方が圧倒的に重力による位置エネルギーは大きいですが、作用している重力の大きさはむしろ前者の方が大きい。 今回の質問の件でいうとむしろこのような内容にしなければまずいでしょう。 "気体を圧縮した際に気体にたいしてされた仕事分気体の内部エネルギーも増加しているのではないでしょうか" これだったらまだ質問としては筋が通ります。仕事とはエネルギーの受け渡しをしていることですから。 上記の疑問に対する答えとしては、気体がされた仕事を打ち消すだけの熱の放出をしているから、ということです。
お礼
回答ありがとうございます。 すみません、質問が悪かったです（汗） 力とエネルギーは互いに関係しているものではないということですね。 確かに少し誤解していたかもしれません。重力の例でよく分かりました。ありがとうございました！
- hitokotonusi
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気体分子間の相互作用がない理想気体のはなしですから、内部エネルギーとは気体分子の運動エネルギーのことで、温度というのもまた運動エネルギーの平均のことです。したがって、理想気体の場合は内部エネルギー一定も温度一定も運動エネルギーが一定である事をさします。運動エネルギーが一定ということは速度が一定という事です。 次に圧力ですが、圧力は気体分子が壁と衝突して壁に与える力積の平均で決まります。気体分子の速度が同じであれば、気体分子一つが壁に与える力積は同じです。しかし、最初の状態とピストンを押し込んでピストン方向の部屋の大きさを半分にした場合(つまり体積が半分)を考えて見ると、気体分子が往復に必要な距離が半分になっていますから、一度衝突してから次の衝突までの時間間隔も半分になります。したがって同じ時間の幅で考えると気体分子の衝突回数が2倍になります。なので、一つの気体分子が一回の衝突で与える力積は同じでも衝突回数が2倍になる事で圧力が2倍になります。
お礼
回答ありがとうございます。 やはり圧力は内部エネルギーの増加とは無関係だったのですね・・・。 よくわかりました。ありがとうございました！
- mpascal
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私も、熱力学は詳しくないのですが・・・。 「温度を一定に保ちながら」とうのは、「断熱圧縮した時に発生する熱エネルギーを外部に取り出しながら」という意味で、エネルギーが外部に出て行っているのです。
お礼
回答ありがとうございます。 はい、それは理解できるのですが、圧縮したときに反発してくる圧力はどこから来ているエネルギーなのかが分かりません・・・。
お礼
回答ありがとうございます。 なるほど、つまり圧縮したときの圧力の増加は内部エネルギーの増加とは無関係だということですね。 圧力が増加しているというのはエネルギーが高くなっているのではなく、気体分子がピストンに当たる頻度が高くなっているだけだったのですか！ よくわかりました。ありがとうございました。