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気体が膨張すると温度が下がるのはなぜ?ー断熱膨張と断熱圧縮ー

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今回のテーマは断熱膨張と断熱圧縮について。

これは、講座に出会う前の私だったら、理解できないまま置換翻訳していました。しかし、現在は何だろう?とノートを目の前に考えたり、図解するようになりました。

以前の私が以下の文章を読んだ場合、どこから手をつければよいかわからなかったはずです。

断熱状態で、気体が膨張すると温度は低下します。気体が圧縮されると温度は上昇します。

上記を理解するために必要な前提知識が、熱力学第一法則になります。電気エネルギーが熱エネルギーになったり、熱エネルギーが運動エネルギーになったりと、エネルギーの形態が変化しても、エネルギーの総量は一定である、ということですね。つまり、エネルギー保存則のことです。

次に、断熱状態とは、外部との熱のやりとりがない状態のこと。

まず、断熱膨張の場合について。

断熱膨張とは、断熱状態で、気体が膨張すること(写真の上の場合)。すると、体積が大きくなります。体積が大きくなるということは、外部に仕事をするということ。熱に変化がない状態で仕事が増える場合、熱力学第一法則(Q=ΔU+W)より、内部エネルギーが減ります(ΔU)。内部エネルギー(ΔU)とは分子が持つ運動エネルギーの合計で、温度は分子が持つ平均の運動エネルギーなので、内部エネルギーが減る=温度が下がる、ということになるんですね。

次に断熱圧縮についてです(写真の下の場合)。

断熱状態で気体が圧縮されると、体積が減るため、仕事が減ります。熱力学第一法則(Q=ΔU+W)より、熱が変化しない状態で仕事が減ると、今度は内部エネルギー(ΔU)が増えますね。内部エネルギーが増える(ΔU)=温度が上がる、というわけなんですね。

熱力学第一法則と、内部エネルギー、温度の関係から、断熱膨張で温度が下がり、断熱圧縮で温度が上がることがわかるなんて、物理ってすごい学問ですね。

断熱圧縮を利用したのがディーゼルエンジンなんですね。物理も面白いです。

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