内部エネルギーってなに?わかりやすく解説

物体の持つエネルギーを力学的エネルギーと呼ぶことは、力学でも学びました。

もし力学的エネルギーって何?と思った方はこちらの記事を読んでみてください。3分くらいで読めます。

力学の世界では目に見える大きさの物体のエネルギーを考えていましたが、僕たちの住んでいる世界は分子や原子といった目に見えない極小の粒子が集まってできています。そして気体は目に見えませんが、分子が集まってできたものです。

分子も物体である以上、その集まりである気体もエネルギーを持つわけですが、気体の持つエネルギーはどのように考えれば良いのでしょうか?

本記事では熱力学の重要な概念である内部エネルギーについてできるだけわかりやすく解説をしていきます。ぜひ、3分間だけで良いのであなたの時間をこの記事を読むことに使わせてください。たった3分の投資で「内部エネルギーがわからない」を解消してみせます。

 

内部エネルギーとは

熱力学で超重要な概念である内部エネルギーとはどんなものなのでしょうか?

内部エネルギーとは?

分子の持つ力学的エネルギーの総和を内部エネルギーと呼ぶ

どんな物体でも分子(もしくは原子)が集まってできています。詳しくはこちらの記事を読んで欲しいのですが、分子のような小さな粒であっても、物体である以上は力学的エネルギーを持っています。

分子が集まって気体ができていますから、分子のエネルギーに着目することで気体の持つエネルギーを考えることができそうです。ですが数億から数兆、あるいはそれ以上の分子が集まって物体はできますから、膨大な数の分子の動き一つ一つに着目するのはあまり現実的ではありません。

そこで熱力学ではそんな分子の動きをひとまとめにして考えます。物体を構成する分子の持つエネルギーを合計したものが内部エネルギーです。

つまり「物体の持つ内部エネルギー=物体を構成する分子のエネルギーの合計」ということです。

ちなみに内部エネルギーと力学的エネルギーの関連性はありません。内部エネルギーを考えるときは、内部エネルギーのことだけを考えます。

気体分子の運動エネルギーの合計が内部エネルギー

 

理想気体とは

内部エネルギーを考えるときにもう一つ知っておきたい概念が理想気体です。

理想気体の分子同士はお互い影響をしないため衝突することなく真っ直ぐ進みます。それによって気体分子の運動の計算が簡単になるわけです。

理想気体の解説記事

理想気体についてはこちらの記事で詳しい解説をしていますので合わせて読んでください。

理想気体ってなに?わかりやすく解説してみた【熱力学】

 

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理想気体の内部エネルギー

理想気体では気体の分子同士が影響を与えません。つまり「分子の持つ運動エネルギー=熱」の合計がそのまま理想気体の持つ内部エネルギーなります。

単原子分子の理想気体の内部エネルギーは以下の公式で表されます。

理想気体の内部エネルギー

U=\frac{3}{2}nRT

(n:物質量、R:気体定数、T:絶対温度)

この公式自体は超頻出なのでそのまま覚えてしまいましょう。なぜこの公式になるのか?については別記事を書く予定ですのでまずは上記の公式は忘れないようにしてください。

 

まとめ

最後まで読んでいただいてありがとうございました。いかがでしたか?

内部エネルギーについて詳しく解説しましたが、ここでのポイントは「気体は分子の集まりでできていてそのエネルギーの和が内部エネルギーである」ということです。

熱力学は、力学以上に細かい知識を多く把握しなければいけません。本記事だけでは把握しきれない話もありますので、ぜひ他の関連記事も合わせて読んで知識を深めてくださいね。


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