《必須》〈課目Ⅰ〉[問題2](2)エネルギー保存則とカルノーサイクルに関する知識問題

Contents

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）
\[
\begin{eqnarray}
\end{eqnarray}
\] (エネルギー情勢・政策、エネルギー概論)

次の各文章の\( \ \boxed {　　 3\strut 　　} \ \)～\( \ \boxed {　　 4\strut 　　} \ \)の中に入れるべき最も適切な字句等をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。なお、\( \ \boxed {　　 3\strut 　　} \ \)は複数箇所あるが、同じ記号が入る。

(2) 熱力学の法則について考える。
ジュールなどが実験により確認した熱力学第一法則は、物質（閉じた系）の\( \ \boxed {　　 3\strut 　　} \ \)と、物質（閉じた系）に出入りする熱と仕事に関して、「\( \ \boxed {　　 3\strut 　　} \ \)の変化＝熱＋仕事」というエネルギー保存則を述べている。
一方、熱から動力の変換に関して、カルノーが考察したカルノーサイクルは熱力学第二法則の基礎となった理想的な熱サイクルである。このカルノーサイクルにおける二つの等温変化と二つの断熱変化は\( \ \boxed {　　 4\strut 　　} \ \)で構成される。

＜\( \ \boxed {　　 3\strut 　　} \ \)及び\( \ \boxed {　　 4\strut 　　} \ \)の解答群＞
\[
\begin{eqnarray}
&ア&　ポテンシャルエネルギー　　　　&イ&　自由エネルギー　　　　&ウ&　内部エネルギー \\[ 5pt ] &エ&　可逆過程　　　　&オ&　不可逆過程　　　　&カ&　可逆過程と不可逆過程 \\[ 5pt ]&&　　　　　　　&&　　　　　　　　　　　　&&　　　　　&&　 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

　熱力学に関する問題です。熱分野や電気分野空調の基礎となる問題です。特に熱分野を受験される方は、確実にこの問題での知識を押さえてるようにしてください。

(1)エネルギー保存則

閉じた系におけるエネルギーの行方を表しています。閉じた系とは、密閉空間内の物質（気体や液体など）を言います。
ピストン内の内部エネルギーΔU\(\mathrm{[J]}\)と熱ΔQ\(\mathrm{[J]}\)・仕事ΔW\(\mathrm{[J]}\)の関係式は、

ΔU\(\mathrm{[J]}\)=ΔQ\(\mathrm{[J]}\)+ΔW\(\mathrm{[J]}\)
となります。

ピストン内で起きている内部エネルギーと熱・仕事の関係を図１で表してます。

図１左より、熱や仕事エネルギーが空間内に入れば、その分内部エネルギーは増加します。
図１右より、熱や仕事エネルギーが空間内から出ていけば、内部エネルギーは減少します。

それぞれ出入りしたエネルギーの合計とその行き先のエネルギーは同じ。これがエネルギー保存則です。

(2)カルノーサイクル

等温と断熱の各環境内で、膨張と圧縮を行き来する様子をカルノーサイクルで表されます。

各現象を要約すると、以下のようになります。
・等温膨張⇒外部から熱をもらい、その熱を利用して膨張。その為温度は変化せず等温。
・断熱膨張⇒外部との熱の出入りを遮断し、内部エネルギーを使って膨張
・等温圧縮⇒圧縮時に発生した熱を外部に捨て、温度を維持
・断熱圧縮⇒外部との熱の出入りを遮断し、外部から物理的に圧縮（握り潰すイメージ）

これらの周期を可逆的に回しています。