記憶との勝負、熱力学

みなさん、こんにちは。

第四回は熱力学についての説明と解説を行っていきたいと思います。

熱力学は間違えやすい、勘違いしやすいというよりも覚える要素や計算が煩雑であることが多いです。なので、今回に関しては箇条書きで並べてみたいと思います。

1. ボイルの法則、シャルルの法則、ボイル・シャルルの法則、気体の状態方程式

これら四つは熱力学の計算の基本の基本です。ですが、どっちがボイルの法則でどっちがシャルルの法則なのか、ボイル・シャルルの法則と気体の状態方程式はどう違うのかという事になりやすいです。ボイルの法則はpV=const.で温度一定のとき、一定質量の気体の体積は圧力に反比例する法則です。シャルルの法則はV/T=const.で圧力一定の時、一定質量の気体の体積は絶対温度に比例する法則です。ボイル・シャルルの法則は上記二式を組み合わせたものでpV/T=const.という、一定質量の気体Vは圧力pに反比例し、絶対温度Tに比例するという法則で、気体の状態方程式は、ボイル・シャルルの式から理想気体の状態を当てはめて気体定数を導き、分子量の違うすべての気体にあてはめられるようにしたものです。違いを覚えておきましょう

2. 8.31(Pa・m^3)/(mol・K)と8.31×10^3(Pa・L)/(mol・K)

どちらも気体定数ですが、注意したいのは単位が立方メートル表記かリットル表記かです。1m^3=1000Lであることを使えば左から右、右から左の換算ができます。出てくる問題によって立方メートルを使うか、リットルを使うかが変わってきます。注意しましょう。なお大抵の問題はリットル表記で出てくるので右で覚えておくことをお勧めします。そして左で扱う事になったときに、立方メートルとリットルとの換算ができるようになれば対応できます。

3. 熱力学第一法則のW

熱力学第一法則のWは外部からされる仕事です。内部からする仕事と間違えないようにしてください。熱力学第一法則は、内部エネルギーは加熱による温度の上昇と、外部からされる仕事によって体積が小さくなることによって増加する式になります。ちゃんと覚えましょう。

4. 3/2と5/2

理想気体の内部エネルギーを求める際に単原子分子と二原子分子の計算でやたらと3/2と5/2という数字を見ます。これは運動論を求めればこの値になるのですが、単原子分子は運動する方向がx,y,zの三方向であるから3になり、二原子分子はその三方向に加えて、X軸中心回転とZ軸中心回転の二つがあるので5になるのです。もう一度言うことになりますが、ちゃんとこの数字になる理由を知りたければ気体分子運動論の導出を調べてみたり、自分でやってみたりしてください。

次回は波動(前半)をまとめてみたいと思います。

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