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解説はMicrosoft PowerPointを用いて作っています。このセクションは作り始めた初期のものなので、大幅に更新していきます。更新中のものは、目次とスライドとノートで構成されています。ノートの部分を表示してご覧下さい。

熱とエネルギー 導入の演示実験ビデオストリーミング

熱とエネルギー入門

分子間力 2つの分子・原子の間には引力が働きます。それゆえ、液体や固体のように分子・原子の凝集体構造ができるのです。しかし、分子・原子が互いに非常に接近すると、今度は強い反発力が生じます。それゆえ、液体や固体はある体積を保っています。これらの力をまとめて分子間力と呼びます。
熱と温度

熱や温度という言葉は日常的に用いられます。でも皮膚の熱感だけでそれを捉えると、熱現象を深く理解できません。温度とは物質を構成する分子・原子一つ一つの平均運動エネルギーの指標です。熱エネルギーは物理では内部エネルギーとも呼ばれ、物質を構成する分子原子の運動エネルギーと位置エネルギーの総和です。温度は1個あたりの平均で、熱エネルギーというときは総和なのです。そして、単に「熱」というときは、温度差のある物体間の熱エネルギーの流れを意味します。こんな風に使い分けるのも、多数の粒子が互いにエネルギーを伝え合う現象を巨視的に理解しようとするからです。

熱容量と比熱

同じ温度なのに、物体の性質によってその物体が持つ熱エネルギーは異なります。単位質量あたりで考えると、1℃あたり一番大きな熱エネルギーを持つのはなんと水です。比熱という考え方を知ると、いろいろなことが見えてきます。

物質の相と潜熱 物質は固体・液体・気体という3つの状態を持ちます。(プラズマ状態というのもある)固相・液相・気相とも呼び、相が変わることを相転移と呼びます。例えば皮膚の表面の水が水蒸気になって表面から離れていくのもそうです。このとき皮膚がひんやりします。なぜなのでしょうか。
熱力学の法則 熱現象で知っておきたい法則は2つあります。ひとつはエネルギー保存則で、これは普遍的に成り立つ法則です。もうひとつはエントロピー増大の法則などとも呼ばれ、これは統計的に成り立つ法則(非常におこりやすい)です。ここでは主に前者を学びます。
熱伝達 熱現象は、分子原子のランダムな運動のエネルギーが伝達されていくというところにその面白さがあります。熱の伝達の仕方には、伝導・対流・放射という3つの様式があります。これ一つ一つ実に面白いです。
浮力と対流 地球の表面で生活しているわれわれにとって、対流現象からは離れられません。対流は深い。
風は大気の対流と場所による気圧の差とによって生じます。地表の大きな風の流れは、さらに地球の自転の影響も受けています。実際の風は複雑ですが、その基本は物理を通じて理解できます。
冷えていく地球 地球は太陽によって暖められていると同時に、それ自身発熱体です。地球の大きな歴史は、地球が冷えていく過程で起きる様々な出来事に彩られています。日本は地震の国ですが、地球内部のありさまは地震を通じて理解することが可能になっています。
放射 真空中でも熱エネルギーは伝わります。電磁波がエネルギーを伝える役目をするからです。伝えるエネルギーの大きさは電磁波の振動数によって異なり、それによって起きる現象も異なります。ところで、日中気温が上がるのに、なぜ雪はすぐには融けないのでしょうか?
気体分子運動論 圧力・体積・温度といった巨視的な物理量の関係や変化は、突き詰めればその系を構成する分子の運動から理解できるはずです。気体分子運動論は、分子の微視的な運動に統計を適用して、気体全体の巨視的な性質を理解するものです。
熱力学第2法則 熱力学第2法則はエントロピー増大の法則とも呼ばれます。説明の仕方は違うけれど内容は同じです。この法則は自然の中で実際にどのような現象が起きるのかを示します。もっと言うと、どんなことが起きやすいかです。

 
熱とエネルギー
温度と熱力学第0法則
熱と熱エネルギー
  • 熱の定義・熱の流れ
  • 内部エネルギー
  • 熱の単位
  • 熱の仕事当量
熱容量、比熱、潜熱
熱力学第1法則
  • 準静的過程
  • P-V曲線
  • 断熱自由膨張
  • 熱力学第1法則:エネルギー保存則
熱伝達
気体分子運動論
  • 理想気体の圧力と運動エネルギー
  • エネルギー等分配則
  • 理想気体の比熱
理想気体の断熱過程、気体中の音波
  • 断熱過程におけるPとV
  • 気体中の音速
  • 拡散霧箱
熱力学第2法則
  • 熱機関・熱効率
  • 熱力学第2法則
可逆過程と不可逆過程
  • 可逆・不可逆
  • カルノーサイクル
エントロピー
  • エントロピー変化
  • エントロピー増大の法則
  • 不可逆過程におけるエントロピー変化/熱伝導・自由膨張
エントロピーと無秩序
  • 系の無秩序さ
  • エネルギーの”劣化”
  • エネルギー変換と熱汚染
自由エネルギー