熱力学第一法則：エネルギー保存の原理

今日は熱力学第一法則について学びます。

 

まず、熱力学第一法則とは？

熱力学の基本原理の1つが第一法則、つまりエネルギー保存の法則です。物理学で最も重要な概念の1つであるエネルギー保存の原理に基づいています。簡単にいうと、エネルギーは生成も消滅もせず、ある形から別の形へ変換されるだけです。数学的には次のように表せます。

Etotal = KEsystem + PEsystem + Usystem

ここで、
Etotalは系の全エネルギー、
KEsystemは系の運動エネルギー、
PEsystemは系の位置エネルギー、
Usystemは系の内部エネルギーです。仕事は、系と周囲の間で働く巨視的な機械力を通じて系へエネルギーを伝える過程です。

例えば機械が系を上へ持ち上げると、機械から系へエネルギーが移ります。系のエネルギーは増え、その増加は重力による位置エネルギーの増加として現れます。系に加えた仕事は、その位置エネルギーを増やします。

物質が系へ移動すると、それに伴う内部エネルギーと位置エネルギーも、新しく結合した系へ移ります。

(uΔM)in = ΔUsystem

ここで、
uは周囲で測定した単位質量当たりの内部エネルギー、
ΔMは移動した質量を表します。

熱の流れはエネルギー移動の一形態です。熱伝達とは、仕事や物質移動を除き、系から、または系へエネルギーが移る自然な過程をいいます。断熱系では内部エネルギーは熱としてのエネルギー移動によってのみ変化します（すなわち外部の熱の影響を受けません）。

ΔUsystem = Q

これらの原理を合わせると、第一法則の次のような伝統的な表現につながります。
「相応するエネルギーの入力がなければ、機械は永久に動き続けることができない。より簡単にいうと、第一種永久機関は作れない。」

第一法則は、生活の中の数多くの現象を理解するために不可欠であり、さまざまな科学・工学分野で利用されます。

以上、熱力学第一法則を紹介しました。
ありがとうございました。