熱力学の第一法則

熱力学の第一法則とは

空気に熱を加えると、その熱は2つのことに使われます。それを式で表したのが熱力学の第一法則です。

ΔQ = ΔW + Δu

記号	意味
ΔQ	加えた熱量
ΔW	体積変化に使われたエネルギー
Δu	温度変化に使われたエネルギー（内部エネルギーの変化）

この式が意味すること

空気に熱を加えると（ΔQ）、その熱は以下の2つに振り分けられます。

1. 体積を変化させるためのエネルギー（ΔW）— 空気が膨張する
2. 温度を変化させるためのエネルギー（Δu）— 空気の気温が上がる

たとえば空気に20の熱を加えた場合、そのうち10が膨張に使われ、残りの10が温度上昇に使われる、というイメージです。

逆に空気から熱を奪う（ΔQがマイナス）と、空気は収縮し（ΔWがマイナス）、温度も低下します（Δuがマイナス）。

断熱変化との関係

この熱力学の第一法則を使うと、断熱変化を説明できます。

断熱変化とは、熱のやりとりがない（ΔQ = 0）変化のことでした。この場合、

0 = ΔW + Δu
→ Δu = −ΔW

つまり、体積が膨張（ΔWがプラス）すれば、その分だけ温度が低下（Δuがマイナス）します。体積が収縮（ΔWがマイナス）すれば、温度が上昇（Δuがプラス）します。

これが、空気が上昇して膨張すると気温が下がり、下降して圧縮されると気温が上がる理由を、エネルギー保存の観点から説明したものです。