Question

りず

高校一年生の熱力学第1法則のところです。写真の部分の意味が本当に分かりません。外部に仕事をするのを正、外部から仕事をされるのが負だと教わりました。つまり圧縮される時は外部からされた仕事なので負になるはずですよね？そして膨張は外部にした仕事になるので正になるはずですよね？気体が外部から正の仕事をされるという意味もいまいち分かりません。解説の方よろしくお願いします🙇‍♂️

AU=[Q+w]
「
物体が気体の場合, 圧縮されて体積が減少するときは、気体は外部から正の仕事をされるので,Wは〔正〕であ
る。逆に、膨張して体積が増加するときは,Wは〔負〕である。 また、 気体が熱を吸収 (吸熱) する場合,Qは
〔
〕であり、気体が熱を放出(放熱)する場合、Qは〔月〕である。
?
問6 気体を冷やしたところ、気体は50Jの熱量を放出するとともに, 20Jの仕事をされた。このとき、気体の内部工

物理 高校生

Answer 1

✨ ベストアンサー ✨

しがない薬学部生

まずは仕事について。1枚目の写真では球が箱に衝突した状況を考えてみます。

箱と球の進行方向を正の向きとすると、箱はF、球は反作用により箱から－Fの力を受け、共に距離xだけ動いているので、図の右のように仕事がされているのが分かります。
物体Aが物体BにWの仕事をした時、AはBから－Wの仕事をされます(＝BがAに－Wの仕事をした)。これは作用反作用で力の向きが180°反対向きになっているからです。

投稿者様の写真の問題は、外部の気体と内部の気体の仕事について述べた文章です。文中でのWというのは、「内部の気体がされた仕事」であり、これを念頭に置いて問題を解く必要があります。
「(内部の)気体が外部の気体から正の仕事をされる」というのは、言い換えれば、「外部の気体が内部の気体に正の仕事をした」ということになります。これは文が能動態か受動態かの違いだけで、言っていることは同じです。
そのため、圧縮される時は「内部の気体が"された"仕事(＝W)」は正となります。

以下余談。役に立ちそうだったら読んでみてください。

私は2枚目の写真のように"した仕事"と"された仕事"や"吸収した熱量"と"放出した熱量"で記号を分けています。内部の気体が外部に仕事をする時、内部の期待は膨張して外に広がるのでWの下にoutと付けます。された時は圧縮されるのでinをつけています。熱量(Q)も同様です。
今回の問題のように「した」と「された」というのは明確にしておく必要があり、これが分かっていないと符号のミスなどが頻発します。

今回の問題では、先程も言ったように、された仕事をWとしていました。つまり、Winを使って議論をしていた訳です。しかし、私個人の感覚ではWoutの方が直感的にわかりやすい場面が多いかと思います。逆に熱量はQin、すなわち、吸収した(入ってきた)熱量を使う方が分かりやすい場面が多いです(あくまでも個人的な感覚)。

例えば、熱力学第一法則はWoutとQinを用いると、
Qin＝ΔU+Wout
と書けます。これは、Qin＞0のとき、吸収した熱が内部エネルギー変化(増加)と気体膨張による外部への正の仕事に変換されると解釈できます。
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なので、直感的にも分かりやすいかと思います。

分からない部分は気軽に聞いてください

りず

返答が遅くなってしまいすみません！！おかげで理解できました！ほんとうにありがとうございます！😭💗

Answer 2

GDO

教わったのは「Q=⊿U＋W」の場合の式だと思われます。
この問題では「⊿U=Q＋W（熱力学第一法則）」です。
似ている式ですが、よく見るとWの符号は逆です。
何のエネルギー変化を求めたいのか（式の中の符号の意味）を考えるとよいです。

「膨張は外部にした仕事になるので正」と考えてよいのですが、
Q=0ならば内部エネルギー⊿Uは減るので、
⊿U=QーWの式とすれば、Wは正でよいのですが、
⊿U=Q＋Wの式としたので、この場合のWはマイナスになります。

求める値（式の取り扱い方）でＷの符号が変わるので注意が必要です。
↓”注意が必要”と、問題集によく記載があります
⊿U=Q＋W
Q=⊿U＋W’

りず

返答が遅くなってしまいすみません！！
理解できました！！細かいところから解説していただきほんとうにありがとうございます！！😭💗