物理/気体の分子運動論

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2015年10月29日 (木) 03:10時点における版

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この節の内容

この節では、本章の前節で学んだ、気体の温度や圧力、ボイルシャルルの定理などが、
気体分子の運動（熱運動という）で説明出来ることを学び、熱現象の本質は原子や分子の熱運動であることを理解する。
さらには物質の性質が原子や分子の構造から決まることを学ぶ。

熱力学の分子運動による解明

気体分子の運動と気体の圧力、温度

気体は分子という小さな粒子が膨大な個数集まったものである。
気体の圧力、温度という現象をこの分子の運動から考察しよう。

気体分子の運動と気体の圧力、ボイルの法則、温度

気体の温度や圧力は、多数の分子（$1cm^3$あたり$10^{19}$くらい）の熱運動によっておこるのではないか。
この仮説に従って、ニュートンの運動法則と確率的扱いを利用して、
解析をすすめると気体の圧力の正体が分かり、ボイルの法則が得られる。
さらに、理想気体の状態方程式と組み合わせると、
気体の温度が、熱平衡状態での1分子の運動エネルギーの平均値を用いて表現出来る。
詳しくは、

• ウィキペディア（気体分子運動論）

熱

高温の物体の分子は低温の物体の分子より（平均すると）激しく動いている。
この両者を（気体の場合は薄い壁を介して）接触させると、
この分子同士がぶつかりあい（あるいは壁を介して、力を及ぼしあい）、
激しく動いている高温物体の多くの分子はエネルギーを失って動きが遅くなり（温度が下がり）、
低温物体の分子はエネルギーをもらい動きがはげしくなる（温度が上がる）。
すなわち高温物体から低温物体にエネルギーが伝えられる。このエネルギーの流れが熱の本性である。

熱平衡

２つの物体を接触させると、双方の分子はぶつかり合い、互いにエネルギーを与えあうが、
授受が同じ値になると、熱の移動はなくなり、熱平衡の状態になる。

気体の内部エネルギーと仕事：熱力学の第1法則

気体の内部エネルギー

気体の内部エネルギーとは、
考察対象の気体分子全体のエネルギーから、その重心の運動エネルギーと重力によるポテンシャルエネルギーを差し引いたものを言う。言いかえると気体重心からみた各分子の運動エネルギーと各粒子間の分子間力に関するポテンシャルエネルギーの和のことである。

熱力学の第1法則

熱は分子のもつ熱運動エネルギー（の一部）が移動するものであり、
熱も含めたエネルギー保存則である熱力学の第一法則は、
熱をあたえる系も含めて考えると多数の分子からなる系の力学的エネルギーの保存則と見ることができる。

熱機関と不可逆性：熱力学の第2法則

熱力学の第２法則を、分子運動から導くことは、まだ完成していない。次の記事を参照のこと。

• ウィキペディア（熱力学第2法則) 中の「ボルツマン」の項と「３．現代における熱力学第二法則の展開」を参照のこと。