物理学

図1. この沸騰の茶やかんは動きのエネルギーを表す。 熱がストーブからやかんに移されているのでやかんの水は水蒸気に回っています。 システム全体が熱くなるにつれて、水の蒸発からケトルの口笛までの作業が行われます。 （credit：Gina Hamilton）

熱伝達がどのように仕事に変換されるかに興味があるなら、エネルギーの保存原理が重要です。, 熱力学の第一法則は、熱伝達と作業がシステムに出入りするエネルギーを伝達する方法であるシステムにエネルギー保存原理を適用します。 熱力学の第一法則は、システムの内部エネルギーの変化は、システムへの正味の熱伝達からシステムによって行われた正味の仕事を引いたものに等し 方程式の形では、熱力学の第一法則はΔU=Q−Wである。

ここで、ΔUは系の内部エネルギーuの変化である。, Qはシステムに伝達される正味の熱です—つまり、Qはシステムへの熱伝達とシステムからの熱伝達の合計です。 Wはシステムによって行われた正味の作業です—つまり、Wはシステム上またはシステムによって行われたすべての作業の合計です。 Qが正の場合、システムへの正味の熱伝達があり、Wが正の場合、システムによって行われる正味の作業があります。 これまでとは全く違う広がりを見Q追加エネルギーシステムの正W間からのエネルギーシステム。 したがって、ΔU=Q−W。, また、場合により熱伝達のシステムが起こり、その差として保存された内部エネルギーです。 熱機関はこれの良い例です—彼らが仕事をすることができるようにそれらへの熱伝達が行われます。 (図2を参照。 ここで、Q、W、およびΔUをさらに調べます。

図2. 熱力学の第一法則は、熱と仕事が熱平衡におけるシステムのエネルギーを伝達する方法であるシステムについて述べられたエネルギー保存原理である。, Qは正味の熱伝達を表します-それはシステムへの熱伝達とシステムからの熱伝達の合計です。 Qはシステムへの純熱伝達のために肯定的です。 Wは、システムで行われた作業の合計です。 Wは、システムよりも多くの作業がシステムによって行われる場合に正です。 系の内部エネルギーの変化ΔUは、熱力学の第一法則ΔU=Q−Wによって熱と仕事に関連しています。,

熱Qと仕事W

熱伝達（Q）と仕事をする（W）は、システムにエネルギーをもたらすか、システムからエネルギーを取り出す二つの日常の手段です。 プロセスはかなり異なります。, 熱伝達、より少なく組織されたプロセスは温度の相違によって、運転される。 非常に組織化されたプロセスである作業には、距離を通して発揮される巨視的な力が含まれます。 それにもかたとえば、両方とも温度上昇を引き起こす可能性があります。 太陽が自転車のタイヤの空気を暖めるときのようなシステムへの熱伝達は、その温度を上げることができ、自転車がタイヤに空気を送り込むときのように、システム上で作業することができる。 一度、温度の増加が発生したことは不可能でになっているかどうかを通知から生じる熱移動してもらいます。, この不確実性は重要なポイントです。 熱移動と仕事の両方のエネルギー輸送—に関する情報は見つかりませんで格納されています。 しかし、両方とも系の内部エネルギーuを変化させることができる。 内部エネルギーは、熱や仕事とはまったく異なるエネルギーの一形態です。

内部エネルギー U

システムの内部エネルギーについては、二つの異なるが一貫した方法で考えることができます。 一つ目は原子-分子スケールで系を調べる原子-分子ビューである。, 系の内部エネルギーuは、その原子と分子の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの合計です。 運動エネルギーとポテンシャルエネルギ したがって、内部エネルギーは、原子と分子の機械的エネルギーの合計です。 すべての個々の原子や分子を追跡することは不可能であるため、平均と分布を扱わなければなりません。 システムの内部エネルギーを表示する第二の方法は、原子および分子の平均値に非常によく似ているその巨視的な特性の観点からです。,多くの詳細な実験により，ΔＵ＝Ｑ−ＷここでΔＵは系内のすべての原子および分子の全運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギーの変化であることが確認されている。 また、システムの内部エネルギーuは、システムの状態にのみ依存し、その状態にどのように到達したかには依存しないことも実験的に決定されています。, より具体的には、Ｕは、熱伝達または作業が行われたかどうかなどの過去の履歴とは無関係に、いくつかの巨視的量（例えば、圧力、体積、および温度）の関数であることが分かっている。 この独立性は、システムの状態を知っていれば、いくつかの巨視的変数から内部エネルギー Uの変化を計算できることを意味します。,

システムの内部エネルギーについて考える方法のより良いアイデアを得るために、状態1から状態2に移行するシステムを調べてみましょう。, システムは状態1に内部エネルギー U1を持ち、どちらの状態になったとしても、状態2に内部エネルギー U2を持ちます。 したがって、内部エネルギー ΔU=U2−U1の変化は、変化を引き起こしたものとは無関係です。 言い換えれば、ΔＵは経路とは独立である。 パスとは、開始点から終了点までの方法を意味します。 この独立性が重要なのはなぜですか？ ＱとＷは共に経路上に依存するが、ΔＵはそうではないことに注意してください。 この経路独立性は、内部エネルギーuが熱伝達または作業よりも考慮しやすいことを意味します。

例1., 内部エネルギーの変化を計算する：Uの同じ変化は二つの異なるプロセスによって生成されます

1. システムへの40.00jの熱伝達があると仮定し、システ その後、システムから25.00jの熱伝達があり、4.00Jの作業がシステム上で行われます。 システムの内部エネルギーの正味の変化は何ですか？
2. 合計150.00jの熱伝達がシステムから（から）発生し、159.00Jの作業がシステム上で行われたときのシステムの内部エネルギーの変化は何ですか？ (図3を参照)。,

図3. 二つの異なるプロセスの変化。 (a)熱伝達の15.00jの合計はシステムに起こり、仕事は6.00jの合計を取るが内部エネルギーの変更はΔU=Q−W=9.00J.である(b)熱伝達はシステムから150.00jを取除き、仕事は159.00Jをそれに置き、内部エネルギーの9.00jの増加を作り出す。, システムが（a）と（b）の同じ状態で始まると、どちらの場合でも同じ最終状態になります—その最終状態は、そのエネルギーがどのように取得されたのかではなく、内部エネルギーに関連しています。

戦略

パート1では、まず、与えられた情報から行われた正味の熱伝達と正味の作業を見つけなければなりません。 次に、熱力学の第一法則（ΔU=Q−W）を使用して内部エネルギーの変化を見つけることができます。 部分（b）では、できている純熱伝達および仕事は与えられます従って同等化は直接使用することができます。,

パート1のためのソリューション

正味の熱伝達は、システムへの熱伝達からシステムからの熱伝達を引いたもの、または

Q=40.00J−25.00J=15.00J.

同様に、総作業は、システムによって行われた作業からシステム上で行われた作業を引いたもの、または

W=10.00j−4.00j=6.00J.

したがって、内部エネルギーの変化は熱力学の第一法則によって与えられます：

δu=q−w=15.00J−6.00J=9.00J。,

我々はまた、二つのステップのそれぞれのための内部エネルギーの変化を見つけることができます。 まず、40.00Jの熱伝達と10.00Jのワークアウト、またはΔU1=Q1−W1=40.00J−10.00J=30.00J

今25.00Jの熱伝達と4.00Jの仕事、または

ΔU2=Q2−W2=-25.00J−(-4.00J)=-21.00J

総変化は、これら二つのステップの合計、またはΔU1=Q1-W1=40.00J-10.00J=30.00Jを考慮してください。=δu1+Δu2=30.00j+(-21.00j)=9.00j。,

パート1に関する議論

全体的なプロセスを見ても、ステップに分割するかどうかに関係なく、内部エネルギーの変化は同じです。

パート2のソリューション

ここでは、正味の熱伝達と総作業はq=-150.00JとW=-159.00Jであるため、

ΔU=Q–W=-150.00J–(-159.00J)=9.00Jとなります。

パート2に関する議論

パート2の非常に異なるプロセスは同じものを生成します。9.00-jパート1のように内部エネルギーの変化。, 両方の部分におけるシステムの変化はΔＵに関連しており、関係する個々のＱｓまたはＷｓには関連していないことに留意されたい。 システムは両方の部分で同じ状態になります。 パート1とパート2は、システムが同じ開始点と終了点の間をたどるための二つの異なる経路を提示し、それぞれの内部エネルギーの変化は同じである—そ

ヒトの代謝と熱力学の第一法則

ヒトの代謝は、熱伝達、仕事、および保存された脂肪への食品の変換です。 代謝は、熱力学の第一法則の興味深い例です。, 我々は今、熱力学の第一法則を介してこれらのトピックをもう一度見てみましょう。 身体を関心のあるシステムとみなすと、最初の法則を使用して、睡眠から重い運動までの活動における熱伝達、仕事、内部エネルギーを調べることがで 熱伝達、仕事、身体のエネルギーの主要な特徴は何ですか？ 一つには、体温は通常、周囲への熱伝達によって一定に保たれる。 このQは負になります。 もう一つの事実は、体は通常、外の世界で働くということです。 この手段はあります。, このような状況では、ΔU=Q−Wが負であるため、身体は内部エネルギーを失う。

今すぐ食べることの影響を考えてみましょう。 食事の内部エネルギーの身体を加え化学ポテンシャルエネルギー(ここではunromantic眺めの良いステーキ). 体は私たちが消費するすべての食べ物を代謝します。 基本的に、代謝は、食品の化学ポテンシャルエネルギーが放出される酸化プロセスである。 これは、食べ物の入力が仕事の形であることを意味します。 食品エネルギーは、カロリーとして知られている特別な単位で報告されます。, このエネルギーは、熱量計で食品を燃焼させることによって測定され、単位がどのように決定されるかです。

化学および生化学において、一つのカロリー（小文字のcで綴られている）は、純水の一グラムの温度を摂氏一度上げるために必要なエネルギー（または熱伝 栄養士や体重ウォッチャーは、頻繁にカロリー（資本Cで綴ら）と呼ばれる食事のカロリーを使用する傾向があります。 一つの食品カロリーは、一つの摂氏度によって水の一キログラムの温度を上げるために必要なエネルギーです。, これは、一つの食事カロリーが化学者のための一つのキロカロリーに等しいことを意味し、一つは両者の混乱を避けるために注意する必要があります。

ここでも、体が失った内部エネルギーを考えてみましょう。 この内部エネルギーが行くことができる三つの場所があります—熱伝達に、仕事をすることに、そして保存された脂肪に（ごく一部はまた、細胞の修復と成長 熱伝達と仕事をすることは、体内のエネルギーを取り出し、食べ物はそれを元に戻します。 あなたが適切な量の食べ物を食べると、あなたの平均的な内部エネルギーは一定のままです。, あなたが熱伝達と仕事に失うものは何でも食べ物に置き換えられるので、長期的にはΔU=0になります。 あなたが繰り返し食べ過ぎると、ΔUは常に正であり、あなたの体はこの余分な内部エネルギーを脂肪として貯蔵します。 あなたがあまりにも少ない食べる場合、逆は真です。 ΔUが数日間負であれば、体は体温を維持し、体からエネルギーを取る仕事をするために自分自身の脂肪を代謝します。 このプロセスは食事療法が減量をいかに作り出すかである。

ダイエッターが知っているように、人生は必ずしもこれだけ単純ではありません。, エネルギー摂取量が数日間変化する場合にのみ、体は脂肪を貯蔵したり代謝したりします。 主要な食事療法にあったら、あなたの体が低負荷の取入口に答える方法を変えるので次のものはより少なく巧妙である。 あなたの基礎代謝率（BMR）は、身体が完全に休息している間に食べ物が熱伝達に変換され、作業が行われる速度です。 ボディは部分的に食べ過ぎるか、または食べ過ぎることを補うために基礎の代謝率を調節します。 ボディは代謝率を減らすよりもむしろ失われた食物摂.を取り替えるために自身の脂肪を除去する。, あなたはより簡単に寒くなり、代謝率が低くなるためにエネルギッシュではなくなり、以前と同じくらい速く体重を減らすことはありません。 運動は体重を減らすのに役立ちます,それはあなたの体と仕事からの熱伝達の両方を生成し、あなたが安静時にある場合でも、あなたの代謝率を上げ 減量はまた仕事をすることに起因する内部エネルギーの損失が仕事より大いに大きいように、内部エネルギーを働かせることのボディのかなり低い効率によって助けられますdone.It しかし、生きているシステムは熱ではないことに注意する必要があります平衡。,

体は、多くの熱力学的プロセスが不可逆的であるという優れた兆候を私たちに提供します。 不可逆過程で行ける一方向ではなく逆に、一定の条件です。 例えば、体脂肪は仕事をし、熱伝達を作り出すために変えることができるがボディでされる仕事およびそれへの熱伝達は体脂肪に変えることがで そうしなければスキップランチおよsunning自分は歩km圏内にあります。 不可逆的な熱力学的プロセスの別の例は光合成である。, このプロセスは、植物によるエネルギーの一形態である光の摂取と化学ポテンシャルエネルギーへの変換です。 熱力学の第一法則の両方の応用を図4に示します。 熱力学第一法則のような保存則の大きな利点は、代謝や光合成などの複雑なプロセスの始まりと終わりを正確に記述することです。 表1は、熱力学の第一法則に関連する用語の要約を示しています。,

図4. （a）熱力学の最初の法則は、代謝に適用されます。 身体から伝達された熱（Q）と身体によって行われた作業（W）は内部エネルギーを取り除き、食物摂取はそれを置き換えます。 （食物摂取は、身体に行われる仕事とみなされることがあります。）（b）植物は、太陽光の放射熱伝達の一部を蓄えられた化学エネルギーに変換し、光合成と呼ばれるプロセスを行う。

Section Summary

• 熱力学の第一法則は、ΔU=Q−Wとして与えられます。ΔUはシステムの内部エネルギーの変化であり、Qは正味の熱伝達（システムへの出入りのすべての熱伝達の合計）であり、Wは行われた正味の作業（またはシステム上で行われたすべての作業の合計）であり、Wは行われた正味の作業（またはシステム上で行われたすべての作業の合計）である。システムによって）。ＱおよびＷはともに輸送中のエネルギーであり、ΔＵのみが貯蔵可能な独立した量を表す。,システムの内部エネルギーuは、システムの状態にのみ依存し、その状態にどのように到達したかには依存しません。
• システムの内部エネル
• 生物の代謝、および植物の光合成は、熱伝達、仕事、およびシステムの内部エネルギーの特殊なタイプである。

用語集

熱力学第一法則：システムの内部エネルギーの変化は、システムへの正味の熱伝達からシステムによって行われる正味の仕事を差し引いたものに等しいと述べている

内部エネルギー：システムの原子および分子の運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギーの合計

人間の代謝：熱伝達、仕事、および保存された脂肪への食品の変換