物理 熱力学

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温度

セルシウス温度(摂氏℃):1気圧における水の氷点を0度、沸点を100度としてその間を100等分した目盛。

ファーレンハイト温度(華氏°F):氷点32。沸点212。

ケルビン目盛(K):物質を構成する原子・分子の熱による振動がすべて静止する温度を0度、水の三重点を273.16度とし目盛間隔をセルシウス温度と同じにとったもの。


熱とは・・・物体間で温度差があるためにおこるエネルギー(=熱)の移動

熱の単位:1[cal]=4.187[J]・・・1[g]の水を1[℃]変化させるのに必要な熱の量

比熱[J/gK(グラム×ケルビン)]・・・その物質の単位質量の温度を1[℃]変化させるのに必要な熱量

比熱c[J/gK]の物質m[g]の温度をΔt[K]上昇させるのに必要な熱量Q[J]:Q=cmΔt


固体・液体・気体

固体 液体 気体
形状・表面

自分で形状を作る。

表面あり。

容器の形状。

表面あり。

容器の形状。

表面なし。

分子の流動性 なし あり あり
圧縮性 なし 非常に小さい 非常に大きい

熱力学第一法則

熱力学第一法則:系に加えられた熱量Qは内部エネルギーの変化ΔUと外にした仕事Wの和に等しいQ=ΔU+W

熱量Q[J]:熱を吸収するときは正、放出するときは負

仕事W[J]:仕事をするときは正、されるときは負

内部エネルギー[J]:全ての分子の運動エネルギーと位置エネルギーを足したもの


断熱過程

気体の圧縮や膨張の過程で系の熱の出入りがない場合を断熱的であると言う。系を環境から熱的に絶縁する(発泡スチロール箱に入れるなど)、あるいは過程を急速に行って熱の出入りのための時間を与えないこと(ジェット風船を飛ばすなど)で断熱過程が実現できる。

熱力学第一法則において与えた熱量Qをセロとすると

0=ΔU+W   ΔU=-W

系に仕事がなされた場合(圧縮)⇒内部エネルギーは増加し温度は上がる

系が仕事をした場合(膨張)⇒内部エネルギーは減少し温度は下がる


熱力学第二法則

熱力学第二法則:自然界の系はその系の無秩序さ(エントロピー)が増す方向に進む傾つエネルギーが低下する方向に変化が起こりやすい。自然界では物質の構成粒子の配列がより乱雑になるような方向に変化する傾向がある。


熱力学第一法則 ~再び~

状態Ⅰ(内部エネルギーU1)に熱(Q)と仕事(W)を加えて状態Ⅱ(内部エネルギーU2)になったとする。体積がΔVだけ減少したとすると

ΔU=U2-U1=Q-ΔW=Q-PΔV

断面積:S 体積:ΔV 圧力:P

ポイント W=FΔr=PΔV ΔV=SΔr P=F/S


定容変化:Q=ΔU

定容変化では系の内部エネルギーの変化量(ΔU)は系に加えられた熱量(Q)に等しい

定圧変化:ΔU+PΔV≡エンタルピー


熱力学第二法則 ~再び~


  ○ ○ ○

  ○ ○ ○

  ○ ○ ○

状態A 確率P1 エントロピーS

○  ○   ○ 

 ○ ○

○      ○

   ○   ○○

状態B 確率P2 エントロピーS2

AとBを混ぜた状態のエントロピーをS12=S1+S2とする。このとき状態確率はP12=P1×P2これを同時に満たすSとPの関係はS=klogP


エントロピー増大の原因

1)温度上昇 

分子の運動エネルギー増加

2)粒子数の増加 

エントロピー〆確率〆場合の数

3)固体から液体への変化 

分子間距離が大きくなり位置の自由度が増す

4)体積膨張

エントロピー〆確率〆場合の数

5)分子の分解

粒子(分子)の数が増える

6)直線を曲げる

エントロピー〆確率〆場合の数


自由エネルギー

エンタルピーとエントロピーが同時に変化したとき系が自発的に進むかどうかの指標

ギブスの自由エネルギーG:H-TS ⇒ ΔG=ΔH-TΔS

H:エンタルピー[cal・J]

T:絶対温度[K]

S:エントロピー[cal・J/K]

系が自発的に変化するときは

ΔH<0、ΔS>0 ΔG=ΔH-TΔS<0


熱力学第三法則

熱力学第三法則:純物質の完全結晶のエントロピーは絶対0度では0である。

0[K]では原子や分子は最も安定な状態にあり完全結晶では粒子が完全格子に完全に固定されるのでそのような配置は1通り。よって S0=klog1=0

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