平成27年度センター試験【物理】第5問 問1|状態変化

第5問は状態変化に関する問題です。

状態変化とは、ある状態から別の状態へ変化する過程のことです。

その変化のさせ方にはいろいろあり、その中の3つが問題として取り上げられています。

 

断熱変化:「熱を断つ」という文字のとおり、熱の出入りがない状態変化です。

等温変化:「温度が等しい」ことから、温度が一定の状態変化です。

定圧変化:「圧力が一定」の状態変化です。

 

等温変化の場合、理想気体の内部エネルギーは変化しません。

覚えておくとよい話ですが、その理由を説明します。

 

内部エネルギーは、ピストンに入っている分子の運動エネルギーと、分子間にはたらく力によって決まる分子間相互作用エネルギー(位置エネルギーみたいなもの)の和で決まります。

分子の運動エネルギーは温度によって変化するもので、温度が高くなると分子の運動速度が速くなることから運動エネルギーは大きくなり、温度が低くなると分子の運動速度が遅くなることから運動エネルギーは小さくなります。

したがって、温度が変わらなければ運動エネルギーは変化しません。

 

一方、分子間相互作用エネルギーは分子間の距離によって変わってきます。

ピストンの体積を変化させると分子間の距離が変わってくるため、分子間相互作用エネルギーは変化します。

ただし理想気体の場合は分子間に力がはたらかない状態を仮定しているため、分子間相互作用エネルギーはありません。

したがって理想気体であれば、分子間相互作用エネルギーも変化しません。

 

このような理由から、理想気体の内部エネルギーは等温変化では変化しないと説明されます。

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