この教材で学ぶこと
到達目標
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熱力学でいう系と外界を説明できる
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状態量と経路に依存する量を区別できる
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内部エネルギーの意味を理解できる
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熱 q と仕事 w の違いを説明できる
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熱力学第一法則 ΔU = q + w を使える
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定圧条件とエンタルピーの関係を理解できる
前提知識
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エネルギー
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エンタルピー
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気体の状態方程式
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物質量 mol
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単位 J・kJ
1
熱力学とは
熱力学とは、熱、仕事、エネルギーの変化を扱う分野です。
化学反応や状態変化では、物質の変化だけでなく、エネルギーの出入りも起こります。
熱力学では、反応が熱を放出するのか、熱を吸収するのか、外界に仕事をするのかなどを整理します。
化学では、エンタルピー、エントロピー、ギブズエネルギーなどが重要な量として登場します。
物理化学の基礎では、まず系、外界、内部エネルギー、熱、仕事の意味を理解することが大切です。
確認ポイント
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熱力学が熱・仕事・エネルギーを扱う分野であることを説明できる
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化学反応とエネルギー変化を関連づけられる
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2
系と外界
熱力学では、注目する対象を系といいます。
系のまわりにあるものを外界といいます。
たとえば、ビーカーの中の反応溶液を考える場合、その溶液を系、ビーカーや空気などを外界として考えます。
系と外界の間では、熱や仕事、物質が出入りする場合があります。
どこまでを系として考えるかを決めることが、熱力学の出発点です。
系と外界
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用語
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意味
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例
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系
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注目する対象
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反応溶液、気体、化学反応
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外界
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系のまわり
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ビーカー、空気、実験室
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境界
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系と外界の境目
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容器の壁など
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確認ポイント
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系と外界を区別できる
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反応溶液などを系として考えられる
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3
開いた系・閉じた系・孤立系
系は、外界とのやりとりのしかたによって分類できます。
開いた系は、物質もエネルギーも外界とやりとりできます。
閉じた系は、エネルギーはやりとりできますが、物質はやりとりしません。
孤立系は、物質もエネルギーも外界とやりとりしない理想的な系です。
実際の実験では完全な孤立系を作るのは難しいですが、考え方として重要です。
系の分類
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系の種類
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物質の出入り
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エネルギーの出入り
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例
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開いた系
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ある
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ある
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ふたのないビーカー
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閉じた系
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ない
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ある
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密閉容器
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孤立系
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ない
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ない
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理想的な断熱容器
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確認ポイント
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開いた系・閉じた系・孤立系を区別できる
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物質とエネルギーの出入りで分類できる
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4
状態量
状態量とは、その状態だけで値が決まり、途中の経路に依存しない量です。
温度、圧力、体積、内部エネルギー、エンタルピーなどは状態量です。
たとえば、ある地点の高さは、どの道を通ってそこへ行ったかに関係なく決まります。
同じように、状態量の変化は、最初と最後の状態だけで決まります。
一方、熱 q や仕事 w は、途中の経路によって値が変わるため、状態量ではありません。
状態量と経路に依存する量
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分類
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例
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特徴
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状態量
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温度、圧力、体積、内部エネルギー、エンタルピー
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始状態と終状態だけで決まる
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経路に依存する量
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熱 q、仕事 w
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途中の過程によって変わる
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確認ポイント
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状態量の意味を説明できる
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熱や仕事が状態量ではないことを理解できる
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内部エネルギーやエンタルピーが状態量であることを覚える
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5
内部エネルギー U
内部エネルギー U とは、系が内部にもっているエネルギーの総量を表す状態量です。
分子の運動エネルギー、分子間相互作用、結合エネルギーなどが関係します。
熱力学では、内部エネルギーそのものの絶対値よりも、変化量 ΔU を考えることが多いです。
系が熱を受け取ったり、外界から仕事をされたりすると、内部エネルギーは増加します。
逆に、系が熱を放出したり、外界に仕事をしたりすると、内部エネルギーは減少します。
確認ポイント
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内部エネルギーが系の内部にもつエネルギーであることを説明できる
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内部エネルギーでは変化量ΔUをよく考えることを理解できる
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6
熱 q
熱 q とは、温度差によって系と外界の間を移動するエネルギーです。
系が外界から熱を受け取る場合、q は正として扱います。
系が外界へ熱を放出する場合、q は負として扱います。
発熱反応では、系から外界へ熱が出るため、系から見た q は負になります。
吸熱反応では、系が外界から熱を受け取るため、系から見た q は正になります。
熱 q の符号
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状況
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系から見た q
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意味
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系が熱を受け取る
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正
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吸熱
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系が熱を放出する
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負
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発熱
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確認ポイント
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熱が温度差によって移動するエネルギーであることを説明できる
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系が熱を受け取るとqが正、放出するとqが負になることを理解できる
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7
仕事 w
仕事 w とは、力によってエネルギーが移動することです。
化学熱力学では、特に気体の膨張・圧縮による仕事がよく出てきます。
外界が系に仕事をする場合、w は正として扱います。
系が外界に仕事をする場合、w は負として扱います。
気体が膨張して外界を押すと、系が外界に仕事をするので w は負になります。
仕事 w の符号
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状況
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系から見た w
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意味
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外界が系に仕事をする
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正
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圧縮など
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系が外界に仕事をする
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負
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膨張など
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確認ポイント
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仕事wが力によるエネルギー移動であることを説明できる
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膨張では系が外界に仕事をするためwが負になることを理解できる
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8
熱力学第一法則
熱力学第一法則は、エネルギー保存の法則を熱力学に適用したものです。
系の内部エネルギー変化 ΔU は、系に出入りした熱 q と仕事 w の和で表されます。
式で表すと、ΔU = q + w です。
系が熱を受け取ったり、外界から仕事をされたりすると内部エネルギーは増加します。
系が熱を放出したり、外界に仕事をしたりすると内部エネルギーは減少します。
例題：系が熱を50 kJ受け取り、外界に20 kJの仕事をした。このときΔUはいくらか。
答え：30 kJ
q = +50 kJ、w = -20 kJなので、ΔU = 50 + (-20) = 30 kJです。
確認ポイント
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熱力学第一法則 ΔU = q + w を説明できる
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熱と仕事の符号を使ってΔUを計算できる
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9
定積条件と定圧条件
熱力学では、どの条件で反応や変化が起こるかが重要です。
定積条件では体積が一定なので、膨張仕事がありません。
そのため、定積条件での熱は内部エネルギー変化と対応します。
一方、定圧条件では圧力が一定で、体積変化による仕事が関係します。
化学反応は大気圧下で行われることが多いため、定圧条件での熱、つまりエンタルピー変化 ΔH がよく使われます。
定積条件と定圧条件
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条件
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一定の量
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熱との関係
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定積条件
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体積
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qv = ΔU
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定圧条件
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圧力
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qp = ΔH
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確認ポイント
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定積条件ではqvがΔUに対応することを理解できる
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定圧条件ではqpがΔHに対応することを理解できる
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化学反応でエンタルピーがよく使われる理由を説明できる
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10
熱力学の基礎例題
熱力学の基礎では、系と外界、状態量、熱と仕事の符号、熱力学第一法則がよく問われます。
特に、qとwの符号を丁寧に確認することが大切です。
例題：温度、圧力、内部エネルギーは状態量か。
答え：状態量である
これらは途中の経路ではなく、その状態によって値が決まります。
例題：熱 q は状態量か。
答え：状態量ではない
熱は途中の過程によって変わるため、状態量ではありません。
例題：系が外界へ熱を放出するとき、qの符号は正か負か。
答え：負
系からエネルギーが出ていくため、qは負です。
例題：系が外界に仕事をするとき、wの符号は正か負か。
答え：負
系から外界へエネルギーが仕事として出ていくため、wは負です。
例題：熱力学第一法則の式を書きなさい。
答え：ΔU = q + w
内部エネルギー変化は、熱と仕事によるエネルギーの出入りの和です。
確認ポイント
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状態量と経路依存量を区別できる
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qとwの符号を判断できる
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ΔU = q + w を使える
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