熱力学の基礎II―内部エネルギー変化

🧠 内部エネルギーinternal energy内部エネルギー（internal energy）internal energy（内部エネルギー）$U$は状態だけで決まり経路に依存しない状態関数 state function 状態関数（state function） state function（状態関数） である。 第一法則Fick's first law 第一法則（Fick's first law）Fick's first law（第一法則） は$\Delta U=Q+W$としてエネルギー保存 energy conservation エネルギー保存（energy conservation） energy conservation（エネルギー保存） を表す。

内部エネルギーと経路量

内部エネルギーinternal energy 内部エネルギー（internal energy）internal energy（内部エネルギー） Uは状態関数 state function 状態関数（state function） state function（状態関数） で、熱Qと仕事Wは経路に依存するエネルギー移動である。初期状態と終状態が同じならΔUは同じでも、QとWの分担は過程により異なる。

熱力学の基礎II―内部エネルギー変化を表す式

$U$は内部エネルギー internal energy内部エネルギー（internal energy） internal energy（内部エネルギー）、$Q$は系へ入る熱、$W$は系になされる仕事で、すべてJで表す。

熱・仕事によるエネルギー移動

Qは系へ加えた熱、Wは系になされた仕事とする符号規約である。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='internal energy'>内部エネルギー</span>と経路量"] --> B
  B["熱・仕事によるエネルギー移動"] --> C
  C["Qは系へ加えた熱、Wは系になされた仕事とする符号規約である"] --> D
  D["符号規約と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='adiabatic process'>断熱過程</span>"]

符号規約と断熱過程

内部エネルギーinternal energy内部エネルギー（internal energy）internal energy（内部エネルギー）$U$は示量的な状態関数 state function状態関数（state function） state function（状態関数）であり、その変化$\Delta U=Q+W$は系へ入る熱と仕事の和で決まる。$Q$と$W$の符号規約を固定すれば経路によらず同じ$\Delta U$が得られ、定圧過程isobaric process 定圧過程（isobaric process）isobaric process（定圧過程） では$pV$仕事を含めたエンタルピーenthalpyエンタルピー（enthalpy）enthalpy（エンタルピー）が便利になる。

同じΔUでも熱と仕事の分配は経路に依存する。式の符号はWを系になされた仕事としている。断熱過程adiabatic process 断熱過程（adiabatic process）adiabatic process（断熱過程） ではQ=0でも、仕事によってUと温度は変化し得る。

まとめ

生物を含む系の熱力学では、保存則とエントロピー・自由エネルギーfree energy 自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー） の制約 Limitations 制約（Limitations） Limitations（制約） を同時に扱う。¹²

• 内部エネルギーinternal energy内部エネルギー（internal energy）internal energy（内部エネルギー）$U$は状態だけで決まり経路に依存しない状態関数 state function 状態関数（state function） state function（状態関数） である。第一法則Fick's first law 第一法則（Fick's first law）Fick's first law（第一法則） は$\Delta U=Q+W$としてエネルギー保存 energy conservation エネルギー保存（energy conservation） energy conservation（エネルギー保存） を表す。
• Qは系へ加えた熱、Wは系になされた仕事とする符号規約である。
• 同じΔUでも熱と仕事の分配は経路に依存する。