熱力学1、系と状態関数のまとめ

熱力学は薬学部の物理の壁の1つです。今回は熱力学について見ていきたいと思います。今回は前段階ということもあり、かなりつまらないですが、なるべくわかりやすく解説したつもりなので読んであげてください(笑)

 

 

熱と仕事

熱力学というと身構えてしまいますが、身近な？例としては蒸気機関車があります。石炭などを燃やして水を沸騰させることによって蒸気を作ります。その蒸気が機関車のピストンを動かして人々を運んでいました。

 

ここで言いたいことは熱はエネルギーを持っているということです。熱エネルギーの単位はJ(ジュール)です。高温状態の方が分子は並進運動、回転運動、振動運動などがより行うので、高温状態の方が熱エネルギーは大きくなります。

 

そして熱をもとにピストンを動かすという仕事を行いますが、仕事とは外からの力によって物体が移動することを言います。仕事の単位もJ(ジュール)です。この単位からもわかるように、熱と仕事は相互に変換することができます。

 

 

系とは

系とは熱力学などで使われる言葉であり、考察の対象となる部分を指します。物質、熱、仕事などをもとに考えたときには、代表的な系は以下の種類があります。

 

 

• 開いた系(開放系)；物質、熱、仕事全て出入りできる
• 閉じた系(閉鎖系)；物質は出入りできない。熱、仕事は出入りできる
• 断熱系；物質、熱は出入りできない。仕事は出入りできる
• 孤立系；物質、熱、仕事全て出入りできない

 

 

言葉の意味的に閉じた系の反対は閉じた系になりそうですが違います。開いた系と反対になるのは孤立系なので、そのあたりを引っかけてくるので気をつけましょう。

 

状態関数と経路関数

先ほどまでの仕事や熱などの、ある状態の系に至る経路に依存する物理量を経路関数と言います。

 

経路関数に対して、系の状態が定まると一義的に定まる物理量を状態関数と言い、以下の2つに分けられます。

 

• 示量性状態関数；物理量に依存して、足し算ができる。体積、質量、エントロピー、エンタルピーなど
• 示強性状態関数；物理量に関係がなく、足し算できない。温度、圧力、密度、濃度など

 

質量は10g+10g=20gと足し算ができますが、温度は10℃＋10℃≠20℃と足し算できないですよね。このように量は足せるけど、強さは足せないイメージを持ちましょう。

 

まとめ

• 熱はエネルギーを持っていて、仕事をすることができる。
• 開いた系と反対になるのは孤立系
• 示量性状態関数は足し算ができるが、示強性状態関数は足し算ができない。