Biophysics · 19.03

熱力学の基礎II―内部エネルギー変化

Fundamentals II — change of internal energy

🧠 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

\Delta U=Q+W

$U$ 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

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。