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理系男子の独り善がり

仕事や生活に役立ちそうな(実際に役立つかは別として)数学・物理ネタをつらつらと書いていこうと思ってます.

熱力学の第1法則は、公式で覚えちゃダメ

高校物理の熱力学が苦手という人は、結構多いように思います。中学校の理科でも出てこなかったような内容なので、苦手というよりも慣れていないということなのかもしれません。

 

熱力学の第1法則

何を表しているかと言われると、「気体におけるエネルギー保存則」ということになります。その「公式」とは次のとおりです。

 Q=ΔU+ΔW

 (Q:外部より与えられた熱量、ΔU:内部エネルギーの増加量、ΔW:外部にした仕事)

 

公式よりも大事なモノ

教科書や参考書に書かれている公式は、上のタイプだけではなく、各項の位置が異なっているものもあります。物理の公式と呼ばれるものは、欲しい物理量を求めるものというよりも、物理現象を表しているものである。このことが、本質であり大事なことだと思います。熱力学第1法則は、そのことを色強く表しているものだと思っています。

 

じゃあ、何が大事なの?

本題に戻します。上で書いた公式は式自体を太字にしていますが、本当に大事なのは括弧内に書かれている物理量です。各項の位置が異なる式というのは、

 Qが外部「へ与えた」熱量であったり、

 ΔWが外部「からされた」仕事であったり、

しているわけです。力学を習うと、ベクトル量(大きさと向きをあわせ持った量)を扱いますが、熱力学でも「どちら向きにどれだけの量を動かしたか」ということが重要になってきます。

 

公式の覚え方

公式は物理現象を表しているのですから、何かわかりやすい物理現象を取り上げてあげればいいわけです。わたしは「風船を温める」ことで覚えるようにしています。

 

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熱量:Qを与えたら、

風船の中の空気は温かくなり(内部エネルギー:ΔUだけ増加)、

風船は膨らんだ(風船の外へ向かって仕事:ΔWをした)。

という流れです。このようにすれば、それぞれの「向き」も合わせておさえることができます。熱が出ていく、中の気体が冷える、縮む(体積が減る)といった場合には、向きが逆なので負号をつければよいことになります。

 

 

厳密に言えば物理現象を「原因と結果(因果関係)」と関係として表したものが公式と呼ばれるものになります。できれば、公式は公式ではなく、物理現象を表していることを意識してもらえれば、公式自体も受け入れやすくなるのではと思います。