110回薬剤師国家試験問91　閉じた系における熱力学第一法則

110回薬剤師国家試験　問91
理想気体からなる閉じた系における熱力学第一法則に関する記述として、
正しいのはどれか。2つ選びなさい。

110回薬剤師国家試験　問91　解答解説

理想気体からなる閉じた系における熱力学第一法則に関する記述として、
正しいのは、選択肢1と2である。

110回薬剤師国家試験問91　閉じた系における熱力学第一法則

◆　2について
2　○　内部エネルギー変化は、系に加えられた熱量と系が外界からされた仕事の和で表される。

閉じた系において、
系に出入りするエネルギーを熱と仕事に限るとすると、
熱力学第一法則は、
系の内部エネルギーに関する次式で表される。

⊿U　＝　q　＋　w
（⊿U：内部エネルギー変化　ｑ：熱　ｗ：仕事）

熱力学第一法則の詳細については
下記のリンク先を参照
熱力学第一法則とは 86回問20a

◆　4について
4　×　内部エネルギー変化は経路関数である熱と仕事からなり、それ自体も経路関数である。
→　〇　内部エネルギー変化は経路関数である熱と仕事からなるが、それ自体は状態関数である。

状態関数とは、系の状態が定まると一義的に決まり、
その変化量は、系が変化する際の経路や過程に依存せず、
始状態と終状態のみによって決まる物理量である。
内部エネルギーは状態関数である。

経路関数とは、状態変化する際の経路・過程によって値が異なる物理量である。
経路関数として熱と仕事がある。

◆　1について
1　○　定温過程において、系に加えられた熱量はすべて系がする仕事になる。

理想気体の内部エネルギーは、温度によって一義的に決まる。
よって、理想気体では、
温度が一定なら内部エネルギーも一定なので、
定温条件なら、内部エネルギー変化は0である。

理想気体からなる閉じた系では、熱力学第一法則により、
⊿U　＝　q　＋　w
が成り立つ。
定温過程では、⊿U＝0なので、
系に熱が加えられると、
そのエネルギーは、すべて系がする仕事で使われることになる。

◆　3について
3　×　断熱過程において、系の体積が増加すると内部エネルギーも増加する。
→　〇　断熱過程において、系の体積が増加すると内部エネルギーは減少する。

理想気体からなる閉じた系では、熱力学第一法則により、
⊿U　＝　q　＋　w
が成り立つ。
断熱過程ではq=0なので、
⊿U　＝　w
となる。
この場合、系の体積が増加すると、
系が膨張し、外界に対して仕事をしたことになるので、
その仕事のエネルギーの分だけ内部エネルギーは減少することになる。

◆　5について
5　×　系が外界に対してする仕事は、不可逆過程の方が可逆過程より大きい。
→　〇　系が外界に対してする仕事は、可逆過程の方が不可逆過程より大きい。