物理基礎の熱力学⑦（熱力学第一法則）
※このプランは，物理教育通信 2013 No.151「高校物理 熱の学習2012」（石井登志夫先生）を参考にしています。 ありがとうございます！
１．前回の復習
前回は，水をシェイクして温度が上がる実験を行いました。
その実験の意味は，「仕事も内部エネルギーを上昇させる」。
その前までやってきたことは，「熱は内部エネルギーを上昇させる」ということでした。
今日はそれらの結果をまとめていきます。
２．熱力学第一法則
前回学習したことをひとつにまとめたものを， 「熱力学第一法則」といいます。 つまり，熱も加えながら仕事もしたらどうなるかということです。
物体が加熱され，仕事が加えられると， その分だけ内部エネルギーが増加する。
ここで，注意が必要なのは，
いつも熱を吸収するばかりではない，ということ。
たとえば，高温と低温の物体を接触させると，
熱は高温物体から低温物体に移動しているので，
高温物体は熱を失っている。
つまり，
※50[J]の熱を放出する＝－50[J]の熱を得た
と言い換えることができます。
同様に，物体は仕事を加えられるだけではなく，
仕事をするときもあります。
つまり，
※50[J]の仕事をする＝－50[J]の仕事をされた
と言い換えることができます。
熱力学第一法則は人によってイメージの仕方が異なるところ。
変形すると，Qin＝U'－U－Win
となりますが，先程のことを踏まえると，
Qin＝U'－U＋Wout
と変形できます。
私は，Qinは「食べたご飯」，Woutは「した仕事」と考えます。
U'－Uは何になる？
生徒：「ウ○コ？」
ちょっとそれはねー，出て行ってるからね。
ご飯を食べて仕事しなかったらどうなる？
生徒：「太る」
そうですね，つまり，U'－Uは「増えた分のお腹の肉」と考えています。
いままで水や油を混ぜたり金属球を入れたりと，
液体固体のことばかり考えていましたが，気体でもいいのです。
気体が圧縮されるときには，
外から力を受けて動いているので「仕事をされた」。
膨張するときには気体が力で押しているので「仕事をした」といいます。
３．熱力学第一法則の例
ここにシリンダーがあってピストンによって空気がつめられています。 これを圧縮したらどうなるでしょうか？ 圧縮されるということは空気は「仕事をされる」。 つまりWinは正。 また，急激に圧縮すると外と熱のやりとりをしている暇はありません。 つまりOinは０。 ということは熱力学第一法則より， U'－Uは正になります。 内部エネルギーが増加するということは，温度が上昇するということ。 実際にやってみましょう。
この空気の中に綿を入れて圧縮します。
このように綿が燃えるのです。空気の内部エネルギーが増加し， 空気の温度が高くなる。綿の自然発火点を正確にいくらかわかりませんが， 300℃くらいでしょうか？それを超えると綿は自然に火がついて燃える。 という現象です。
ちなみに逆をやったらどうなりますか？
つまり急激に引っ張ってあげる。
これはこのシリンダーでは見えませんが，
雲ができるのです。
気体を膨張させる，つまり「気体が仕事をする」，
つまり「気体がされた仕事は負」。
急激に行うとQin＝０。
第一法則よりU'－Uは負。つまり温度が下がる。
これは積乱雲ができる理由とほぼ同じです。
太陽で地面が熱せられて地面近くの空気が温められる。
温められた空気は膨張する。膨張すると密度が小さくなるので浮く。
高いところにいくと気圧が低くなるのでさらに膨張する。
これが勢いよく行われると熱のやりとりをしている暇はない。
よって，Qin＝０。第一法則よりU'－Uは負。
温度は下がる。露点よりも低くなると水蒸気が水滴になる。
つまり雲ができるというわけです。
４．問題
では，次の問題をやってみましょう。
というように，プラスマイナスには十分気を付けてください。
５．エネルギー保存則
ここで，これまでのことを第一法則をもとに振り返ってみましょう。
まず，高温の水と低温の油を混ぜると熱平衡になった，つまり同じ温度になった。
これはどう見えるのでしょうか？
油は熱をもらって温度上昇，すなわち内部エネルギーが増加しています。
水は熱を熱を失って温度が低下，すなわち内部エネルギーが減少している。
これらを式にして足してしまうと，
Qin油＋Qin水ですが，Qin水はマイナスなので，Qin油－Qout水となります。
熱は水から油にいっているだけで他には移らないので，これはゼロです。
つまりそれは熱量保存の法則です。
ということは，
はじめのエネルギーの合計＝あとのエネルギーの合計
となります。つまり全体をみればエネルギーは変化していないといえます。
ジュールの実験も同様に見てみると，
水だけ見ると，U'－U＝Winですが，
装置全体を見ると，はじめおもりは高い位置にあり位置エネルギーを持っていた。
装置全体は押されてもいないし，熱も加えられていないので，
QinもWinもゼロです。
つまり，装置全体を見ればエネルギーは変化していない。
これをエネルギー保存の法則といいます。
中三のときに「力学的エネルギー保存の法則」というものをやりましたが，
あれは摩擦とかがあると成り立たない。なぜなら摩擦により内部エネルギーが
増加する分，「力学的な」エネルギーは減ってしまうからです。
しかし，内部エネルギーというものまで加えると，
全体のエネルギーの合計は変わらないというわけです。
６．まとめ
今日は熱力学第一法則ということを学習しました。 最後に見たように，ここからエネルギーという概念が確立されていきました。 さああと一時間で熱は終わりです。頑張っていきましょう。
授業を終えて。。。
・圧気発火器は盛り上がった！（でもアンコールに応えると大抵失敗するのはなぜだろう）
・しかし，生徒の活動がない。最後の方は概念的な話なのでつまらない。
それでは寝てしまう。工夫が必要だ。
・文字式の操作は簡単ではない。実験のところからもう少し文字にして
理解を深めてからでないと最後のところは理解できない。
・後半のクラスは時間の関係上，次回の熱効率の話もこの時間にした。
多少慌ただしいが，悪くはなかった。次年度はこの分をエネルギー保存の法則に
まわしてもよいと思う（もしくは熱量保存の実験をやらせるべきだった）。
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