容器内に閉じ込められた理想気体の膨張収縮について,以下の問に答えよ。ただ
し、気体定数はRとし、単原子分子気体の定積モル比熱はCv=2R で与えられる。
理想気体の断熱膨張を気体分子の運動の観点から考察してみよう。図1のように、
理想気体が断面積Sの円筒状のピストン付き容器に封入されている。 気体が封入さ
れている部分の長さは、ピストンをx軸方向に速度 uで動かすことで,変えること
ができる。気体は単原子分子 N 個からなり,各気体分子は質量mの質点とみなすこ
とができる。ただし、重力の影響は無視する。また,容器の壁面やピストンは断熱材
でできており、表面はなめらかである。 このとき, 以下の問に答えよ。
ピストン
断面積 S
V
y
m
V
u
X
長さ l
図 1
(a) ピストンが静止している状況 (u = 0) を考える。そのときに, 容器内部の気体
と壁面やピストンとの間に熱のやりとりのない状態のことを,以下では断熱状態と
呼ぶ。 このような断熱状態にあるためには, 気体分子とピストンとの衝突は弾性衝
突である必要がある。 なぜ非弾性衝突では断熱状態とみなすことができないかを説
明する以下の文の空欄(ア)~(キ)に当てはまる数式または語句を答えよ。 ただし,空欄
(ア)~(エ)に対しては数式を解答し,空欄(オ)〜(キ)に対しては選択肢の中から最も適切な
語句を選択のうえ,選択肢の番号で解答すること。 解答欄には答のみを記入せよ。
空欄(オ)に対する解答の選択肢:
① 物質量
② 内部エネルギー
空欄(カ)(キ)に対する解答の選択肢:
3 熱量
① 与えられた熱量
② された仕事
③ 与えられた物質量
質量 m,速度(by) の分子がピストンと非弾性衝突をする際のはねかえ