熱力学から始まるエネルギーの理解 -1-
まえがき
微分積分をはじめとする高等数学を踏まえて、様々な物理学に対する見方をテーマを決めて、連載形式で発信します。
今回は高校物理から登場する「熱力学」について、大学（理工学分野）で扱う範囲まで拡大して、その考え方を見ていきます。
私たちの身の回りでは「熱」に関係する現象が絶えず起きています。温かい飲み物を机の上に置けば、やがて冷めます。反対に、冷蔵庫から取り出した飲み物は、時間が経つにつれて周囲の温度に変化します。
こうした現象を扱う学問が「熱力学」です。熱を起点にこれまで連載してきた「力学」の話を取り込んだ内容です。
熱の移動と熱平衡 →【今回】
状態方程式と熱力学第一法則
気体の状態変化
エントロピーと熱力学第二法則
初回では、熱力学を扱う際の出発点である「温度」と「熱」について、そこで発生する現象のひとつである「熱平衡」を説明します。
温度と熱の定義と両者の違い
普段の生活では、往々にして「温度」と「熱」は近い意味で使われます。しかしながら、物理学では両者を明確に区別しています。
温度：物体の「熱さ」または「冷たさ」を表す状態量
熱：温度差がある物体の間を移動するエネルギー
熱（熱量とも呼ばれます）とは、力学的・電磁気的な「仕事」に含まれない形でエネルギーの移動を取りまとめたものであり、原則的に高温から低温へ流れるとされています。
例えば、温度の高いコーヒーと、それより温度の低い周囲の空気を考えてみます。
時間が経過すると、コーヒーから周囲へエネルギーが移動するため、コーヒーの「温度」は低下します。このとき、移動したエネルギーを「熱」と言います。
物体の内部に存在するエネルギーは「内部エネルギー」と言います。日常では「物体が熱を持っている」と表現することがありますが、これは、熱力学で扱われる「熱」とは、明確に意味が異なります。
こうした区別は、次回で扱う「熱力学第一法則」を理解する際にも、非常に重要になります。
温まりやすさは物質ごとに違う
物体に同等のエネルギーを与えたとして、全ての物体が同様に温まる訳ではありません。コーヒーを淹れる容器（材質）が違うだけでも、温まり方に差異が生じます。
これを定量的に表すために、物体の材質に応じた「比熱」や「熱容量」が決められています。
質量mの物体に熱量Ｑを与えて、温度が$${\Delta{T}}$$だけ変化したとき、下記の関係式が成り立ちます。ｃは比熱です。
$${Q=mc\Delta{T}}$$
比熱は、単位質量の物質の温度を1$${K}$$（または1$${\rm\degree{C}}$$）だけ増加させるために必要な熱量を意味します。比熱が大きいほど、温度は上昇しにくいことになります。
また、質量mと比熱ｃの積を「熱容量」と言います。
比熱が物質固有の性質を表すのに対して、熱容量は物体の質量にも左右されます。例えば、コップ一杯分の水と浴槽全体の水では、水の比熱は等しくても熱容量は異なることから、温度を1$${\rm\degree{C}}$$上昇させるために必要なエネルギーは、自ずと異なるのです。
熱の移動から収束する熱平衡
温度差のある２つの物体を接触させると、熱は高温側から低温側へ移動するため、高温側の温度は下がり、低温側の温度は上がります。
十分な時間が経つと、両者の温度は等しくなります。このように、物体間で熱の移動が発生しなくなった状態を「熱平衡」と言います。
例えば、熱い飲み物を室内に長時間置いておけば、飲み物の温度は最終的に室温に近づきます。反対に、冷たい飲み物を置いた場合でも、同様に室温に近づきます。
ポイントは、いずれの場合も「周囲との温度差が解消される方向」へ状態が変化していることです。熱力学では、平衡状態をひとつの基準として、物体がどのように状態を変容するのかを考えます。
熱の移動の仕組み（現象）には、熱伝導・対流・放射などがあります。これらの詳細は「伝熱工学」の領域です。今回はあくまで「温度差が存在する場合に、熱は移動する」というところまでを押さえておきます。
おわりに
今回は熱力学の入口として、温度と熱の違い、比熱や熱容量の意味、そして熱平衡の状態について説明しました。
重要なのは、熱を単に「物体の温かさ」と考えるのではなく、温度差に基づいて移動するエネルギーとして捉えることです。そして、温度の異なる物体同士で熱が移動することで、熱平衡状態に近づきます。
熱の移動と熱平衡
状態方程式と熱力学第一法則 →【次回】
気体の状態変化
エントロピーと熱力学第二法則
ところで、物体に与えられた熱は、どのようなエネルギーとして存在するのでしょうか。また、気体が膨張して外部へ仕事をしたとき、エネルギーはどのように変化するのでしょうか。
次回は、理想気体の状態方程式を入口として、内部エネルギーの考え方を示しながら、熱力学に関するエネルギー保存則である「熱力学第一法則」について考えます。
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最後まで読んで頂き、ありがとうございます。この記事が、何か皆さんの未来を変えるキッカケになれたら幸いです。
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