物理ネコ教室205モル比熱・熱機関

　熱力学という言葉を作ったのはアイルランドのウィリアム・トムソン。後のケルヴィン卿であります。

　トムソンは気体の内部エネルギーの正しい解釈に辿り着いており、それが分子運動のエネルギーであろうことも予測していました。

　小さな頃から天才として知られ、古典物理学の名手として、さまざまな問題に着手しました。海底電信ケーブルの設置にも関わっています。あのマクスウェルの兄貴分といった存在です。ファラデーの電気力線や電場の概念に最初に興味を示したのも彼。マクスウェルはトムソンの勧めでファラデーの研究を知り、歴史的な交流が始まりました。

　このプリントで登場する熱機関は、カルノーサイクルとも呼ばれますが、創案者のカルノーは、熱が滝の水のように高いところ（温度の高い熱源）から低いところ（温度の低い熱源）へと「落下する」さいに水車を回し（つまり、熱機関を動かして仕事をさせる）という発想をしていました。

　現在のように、熱がエネルギーの仲間で、仕事をした分だけ熱が減る、という考えではなく、カルノーの熱機関では、熱の量は不変です。熱量の保存則はかなり強い法則だと、当時の科学者たちは考えていたのですね。現在の目で見ればあきらかに間違っているカルノーの熱機関理論を、当時芽生えつつあった保存される「力」（のち、トムソンがエネルギーと命名）の概念と照らし合わせて修正していったのが、カルノーに続く研究者たち。トムソンもその１人です。でも、カルノーの研究はそれまでにない発想で、熱力学が発達する第一歩となりました。

　現在、高校の物理で簡単に習う熱機関の理論は、おおむねカルノーの熱の落下モデルを修正したものになっています。

　今回のプリントは、１〜５が新しい内容、６以降が物理基礎の復習になっています。

　モル比熱は言葉通り、気体１モルの温度を１Ｋ（度）上げるのに必要な熱量です。

　物理基礎で習う比熱は正確にはグラム比熱といって、１グラムの温度を１Ｋ上げるのに必要な熱であり、物質によって細かく異なります。身の回りのものでは、水の比熱がもっとも大きいと、習ったことがありますよね？

　でも、不思議なことに、モル比熱で表すと、物質の個性の違いが消えてしまいます。

　具体的にいえば、例えば、酸素と水素の区別がつかなくなります。

　これを不便と考えるか便利と考えるかは、人次第。

　おおむね、化学者は不便だととらえ、物理学者は便利だととらえます。

　分子の粒の数をそろえて比熱を比べっこすると、どれもこれも似たような値になる・・・これは、すばらしい法則です。

　厳密に言えば、単原子分子気体、２原子分子気体、多原子分子気体で、モル比熱の値は異なります。

　さらにいえば、物質の種類によるモル比熱の差はなくなるのですが、同じ気体でも、熱の加え方や気体のふくらみ方によって、モル比熱の値は激変します。

　それは、気体が熱をもらって膨張するときに、仕事の形でエネルギーを失うからです。

　もっとも代表的な例として、高校では「定圧モル比熱」と「定積モル比熱」を習います。

　でも、これはそんなに難しいことではありません。定積変化のときは気体の体積が変わらず、気体が仕事をすることもされることもないので、固体同様、熱の出入りだけで温度変化が決まります。定圧変化のときは、気体が膨張・収縮する際に出入りする仕事の分だけ、同じ温度変化するにも余分な熱が必要になります。だから、比熱が定積変化のときより大きくなるんですね。