熱力学第一法則とエネルギー保存

熱力学第一法則は、エネルギー保存の法則を熱過程に拡張し、熱と仕事を系の内部エネルギーを変化させる相互変換可能な方法として特定する。

Definition

熱力学第一法則は、系の内部エネルギーの変化が、系に加えられた熱から系がした仕事を引いたものに等しいと述べており、熱をエネルギー伝達の一形態として含める場合のエネルギー保存を表現している。

Scope

このトピックでは、熱力学第一法則の記述、状態関数としての内部エネルギー、熱と仕事の経路依存性、完全微分と不完全微分、およびdU = dQ - dWの定式化について扱う。エンタルピー、熱容量、等温、断熱、等積経路などの熱力学的プロセスの分析への応用も含まれる。

Core questions

• なぜ内部エネルギーは状態関数であり、熱と仕事はそうではないのか？
• 熱の仕事当量は、熱的領域と機械的領域にわたるエネルギー保存をどのように確立したのか？
• 熱と仕事は、異なるプロセス経路に沿ったエネルギー変化を決定するためにどのように組み合わされるのか？
• エンタルピーと内部エネルギーは何が異なり、それぞれをいつ使用するのが適切か？

Key concepts

• 状態関数としての内部エネルギー
• 経路依存的な伝達としての熱と仕事
• 完全微分と不完全微分
• エンタルピーと熱容量
• 断熱、等温、等積プロセス

Clinical relevance

熱力学第一法則は、エンジン、熱量測定、化学反応のエンタルピー、および代謝エネルギーバランスにおけるエネルギー計算の基礎となり、熱と仕事を交換するあらゆるプロセスに対する会計原則を提供する。

History

熱力学第一法則は1840年代に具体化された。マイヤーとジュールが独立して熱の仕事当量（機械的当量）を確立し、ヘルムホルツがエネルギーの普遍的な保存を主張し、力学、熱、その他の形態のエネルギーを統一した。

Key figures

• James Prescott Joule
• Julius Robert von Mayer
• Hermann von Helmholtz

Seminal works

• joule1850
• callen1985

Frequently asked questions

なぜ熱と仕事は不完全微分で記述されるのか？

交換される熱と行われる仕事は、2つの状態間の経路に依存し、終点だけでなく、内部エネルギーが状態のみに依存するのに対し、不完全微分表記はこの経路依存性を示すためである。