等温変化と断熱変化の違いとは？

質問

• 物理の熱のところについて質問です。
• 等温変化と断熱変化は、熱の移動がない変化ですが、条件が異なります。
• 等温変化では内部エネルギーの変化がなく、断熱変化では熱量が0であることが条件です。

回答No.4

ht1914 · ベストアンサー

ピストンを押して気体を圧縮したとします。
この時の変化は等温、断熱のどちらでしょうか。

多分この辺がわかりにくいのだと思います。
この操作自体はボイルの法則のところで当たり前に様にして出てきます。でも操作だけなんです。
「温度一定の条件で」とか「温度が変わらないようにして」という注が付いています。「温度が変わらないようにしようと思えばどうすればいいか」には触れられていません。

実際にやると等温、断熱の間の変化が起こります。
圧縮すると体積が減ります。いくらか温度も高くなります。自転車の空気入れ（金属製のもの）のようなものだと手で触って感じることが出来るほどです。しばらく待つとわからなくなります。
温度が上がったということは内部で熱が生じ、外に出てきたということです。温度が上がっていますから等温ではありません。外に熱が出てきていますので断熱でもありません。熱が外に出てきていますので出てこない場合に比べると内部の温度上昇は小さくなっているはずです。
ピストンとシリンダーの構造や材質を変えることによって熱が外に出てくるのをいくらか押さえることが出来ます。でも何時も時間の尺度が問題になります。時間が経つと外部の温度と同じになります。構造や材質を変えることによって外部の温度と同じになる時間を速くする事も出来ます。
普通に起こる圧縮の場合、断熱変化と等温変化の間の変化が起こっています。「全く熱の移動が起こらない」という条件と「十分に熱の移動が起こる」という条件は２つの極限的な条件です。理想的な条件です。

等温変化の場合、熱のやりとりの出来る大きな物体と接触しているとしています。「熱浴」と言います。
空気中でやるとき、少し待てば周りの空気と同じ温度になる、それによって空気の温度は上昇しないと考えるとが出来るのであれば空気が熱浴であることになります。空気の温度がどうしても高くなるというのであれば熱浴としては不充分だということになります。水の中に浸けるという場合であれば水槽の中の水が熱浴になります。

等温変化を実現するためには十分熱容量の大きな熱浴と接触させるという但し書きがたいてい書かれています。

＃１のご回答で「氷水」を考えられているのも熱浴の工夫の一つです。水だと温度が上がってしまうかもしれないですが氷水だと氷が溶けてしまうまでは温度が上がらないので等温変化が実現するという工夫です。でもこれだと温度を選べませんね。温度コントロールの出来る水槽でやると氷水よりは等温条件は悪くなるかもしれませんが温度を選ぶことは出来ます。

等温変化はまだ工夫すればいくらか実現しているというイメージが取りやすいです。断熱変化は逆の場合の極限ですから実現の程度を知るのが難しいです。接触している２つの物体の間では必ず熱の移動があるはずですから完全な断熱は不可能です。完全に断熱させているとしたときの変化の予想値と実際とを照らし合わせることによってどの程度断熱条件が実現されているかを調べるということしか手がないのだと思います。熱力学では理想的に断熱されているとして温度変化がいくらになるかを求めることが出来ます。

質問者様は温度と熱の違いも混乱があるようです。
この違いは先にハッキリさせておく方がいいと思います。

お礼

御回答ありがとうございます。
なんとなくわかったような気がします。

「等温変化」の等温とは、中に入っている気体に注目していて、特別な状況でないときは、発生したエネルギーは、内部の気体の温度変化だけに使われるのではなく、内と外の気体の温度が等しくなるように使われて、外が空気の場合は、あまりにも量が多いので、結局エネルギーは外にすべてながれてしまうため、内部の気体は温度変化がないため、等温変化。

「断熱変化」の断熱とは、内部のエネルギーが外にもれない、ということですね。その結果、発生した熱量はすべて内部の気体の温度変化に使われるということですね。

ご指摘のように、熱、と温度が区別できていませんでしたが、熱変化は温度変化に使われるわけではなく、外に流れていってしまうこともあるということですね。

＞「全く熱の移動が起こらない」という条件と「十分に熱の移動が起こる」という条件は２つの極限的な条件です。理想的な条件」で実際は、特別な装置がない状況では、等温変化と断熱変化の中間のような変化が起こる、ということですね。

ちゃんと理解できているといいのですが。
すごくわかりやすかったです。ありがとうございました。