基礎物理学チュートリアル

よく見ると、燃焼による煙は最初は見えます。しばらくすると、煙は見えなくなります。香水を使ったことがありますか？部屋に香水をスプレーしても、家の外にいる人にも香水の香りが感じられます。お母さんが台所でおいしい料理を作っていると、隣の家にも料理の香りが漂ってきます。なぜでしょうか？

他にも多くの例があります。透明な水が入ったグラスにインクを数滴垂らすと、インクや食用色素は水全体に均一に広がります。これは自動的に起こります。先ほど挙げた例は、日常生活でよく見られる拡散現象です。拡散とは、物質が高濃度から低濃度へと移動する過程です。濃度とは、単位体積あたりの物質の分子数（モル数）のことです。高濃度とは、単位体積あたりの物質の分子数が多い場所のことです。逆に、低濃度とは、単位体積あたりの分子数が少ない場所のことです。

理想気体の内部エネルギー

単原子理想気体のエネルギー

単原子理想気体のエネルギーは、単原子理想気体分子の並進運動エネルギーの総量です。理想気体分子の並進運動エネルギーの総量は、各分子の平均並進運動エネルギーと分子数（N）の積に等しくなります。数式で表すと次のようになります。

エネルギー等分配の定理

エネルギー等分配定理は、クラーク・マクスウェルが統計力学を用いて理論的に導き出したものです。実験による証明がないため、定理と呼ばれています。エネルギー等分配とは、エネルギーが均等に分配されることを意味します。

KE = 気体分子の平均並進運動エネルギー（ジュール）

k = ボルツマン定数 = 1.38 × ^10⁻²³ J/K

T = 理想気体分子の絶対温度（ケルビン）

気体の平均運動エネルギー

圧力に加えて、気体の巨視的な性質を表す量の1つに温度（T）があります。気体圧力の式：

気体の平均運動エネルギー 1

気体の運動論

運動論によれば、すべての物質は原子または分子から構成され、原子または分子は絶えず自由に運動している。この運動論の仮定は、気体を構成する原子または分子の状況と一致する。気体を構成する原子または分子間の引力は弱いため、原子または分子は自由に運動することができる。

ボイルの法則　シャルルの法則　ゲイ＝リュサックの法則

ボイルの法則、シャルルの法則、ゲイ＝リュサックの法則

ボイルの法則

ロバート・ボイル（1627-1691）は、気体の圧力と体積の定量的関係を調べる実験を行いました。この実験は、一定量の気体を密閉容器に注入することによって行われます。彼は、気体の温度を一定に保った場合、気体の圧力が上昇すると体積が減少すること、同様に、気体の圧力が低下すると体積が増加することを発見しました。気体の圧力は体積に反比例します。この関係はボイルの法則として知られています。数式で表すと次のようになります。

理想気体の法則

ボイルの法則、シャルルの法則、ゲイ＝リュサックの法則は、あらゆる気体条件に適用できるわけではないため、分析はより困難になります。そこで、理想気体モデルを導入しました。理想気体は日常生活には存在しませんが、分析を容易にするための理想的な形態です。この理想気体の概念は、気体の3つの法則の関係性を再確認する上でも非常に役立ちます。

温度、体積、ガス圧の関係

上記の３つの気体の法則を参照することで、温度、体積、および気体圧力の間のより一般的な関係を導き出すことができる。

エントロピー

熱力学第二法則の具体的な記述では、すべての不可逆過程を説明できないため、一般的な記述が必要です。この一般的な記述は、宇宙で起こるすべての不可逆過程を説明することが期待されています。熱力学第二法則の一般的な記述は、19世紀半ばにエントロピー（S）と呼ばれる量を通して定式化されました。エントロピーはクラウジウスによって初めて導入され、カルノーサイクル（完全な熱機関）から定式化されました。クラウジウスによれば、系が一定温度で追加の熱（Q）を受け取ると、エントロピー変化が生じます。これは次の式で表されます。

冷却機の成績係数

冷却機の成績係数に関する記事

冷却機とは、低温の場所から熱を取り出し、高温の場所へ移動させる機械のことです。このプロセスが起こるためには、機械が仕事をする必要があります。なぜなら、熱は自然に高温から低温へと流れるからです。これはクラウジウスの次の法則によるものです。

冷却装置が仕事をせずに低温の場所から高温の場所へ熱を移動させることは不可能である（熱力学第二法則―クラウジウスの法則）。

この機械は、低温（Q _L）から高温（Q _H）へ熱を移動させるために仕事（W）をします。エネルギー保存の法則に基づくと、Q _L+ W = Q _{Hとなります}。

カルノー熱機関とカルノーサイクル

熱機関の効率を上げる方法を見つけるために、フランスの科学者サディ・カルノー（1796-1832）は1824年に理想的な理論上の熱機関を研究しました。当時、熱力学の第一法則も第二法則もまだ定式化されていませんでした。第一法則が定式化されていないのは、科学者がまだ熱がエネルギーであることを知っていなかったからです。1830年代にジュールとその同僚が実験を行った後、科学者は熱が温度差によって移動するエネルギーであることを発見しました。そのため、熱力学の第一法則は1830年以降に定式化されました。サディ・カルノーは1824年に理論上の理想的な熱機関を研究していました。彼の研究は実際には蒸気機関の効率を上げるためのものでした。当時のほとんどの蒸気機関は効率が低かったのです。