【7】分子運動論とエネルギー【物理解説】

物理

2020.01.29

この記事では、物理「分子運動論とエネルギー」の解説をしていきます。

この項のポイントは以下の2つです。

ここから、熱の分野は式変形が多く、非常に厄介になります。苦手意識を持っている人も多いはず。

ただ、考え方は難しくありません。噛み砕いて理解すれば、それほど難しい内容じゃないと理解できます。

それでは、解説していきます。

分子運動論の考え方と計算

気体の性質を分子の観点から見ていきます。

圧力を求める際に長めの計算が出てきますが、恐れることはありません。やっていることは単純です。

分子の観点から気体の圧力を見て行くのですが、下のように単純にした系で考えます。

この前提条件で、気体の圧力を解説していきますね。

圧力という巨視的（マクロ）な量を、分子という微視的（ミクロ）な量を用いて表すことに成功しました。

なんども式変形が出てきて複雑そうですが、小分けにして考えると難しくないはず。

先ほど求めたミクロな圧力を使って気体分子の運動エネルギーを見ていきます。

ここでも少し式変形をしますが、恐れることはありません。単純です。

気体分子1個の平均の運動エネルギーが算出できました。

温度が決まれば、気体の種類には関係なく分子の平均運動エネルギーが決まることを表しています。

つまり、温度は運動エネルギーそのものなんです。

続いて、気体が持つエネルギーである「内部エネルギー」を見ていきましょう。

式変形自体は簡単ですが、ここにたどり着くまでに脱落している人も多いはず。

しっかり理解して、ライバルに差をつけましょう。

内部エネルギーとは、無数にある分子をひとまとめにしてみたときの運動エネルギーのこと。

内部エネルギーは名前の通り「内部にあるエネルギー」なので、物体の速さや高さは考慮しません。

また、理想気体を考えるときは分子間力はないものとします。

ボールを投げるなど、マクロに見た「運動エネルギー＋位置エネルギー」で表す力学的エネルギーは関係ないので注意してください。

さて早速、理想気体の内部エネルギーUを求めていきましょう。

理想気体の内部エネルギーも、気体の種類に関係ないことが分かりました。

物質量と温度のみで決まりますね。

分子運動論と内部エネルギーについて理解できましたか？

ポイントをまとめますね。

ここで熱力学を脱落する人が多いです。

ただ、冷静に考えれば、それほど難しくないことがわかってもらえるはず。

理解できたら、次に進みましょう！