断熱膨張について

断熱膨張の際に、注射器やピストンを用いて手が仕事をして容器中の気体の体積を膨張させたとき容器中の気体は仕事をしていないのになぜ温度が低くなる(内部エネルギーが低下する)のですか?

質問者からの補足コメント

• 結果的に手が仕事をして、無理矢理気体に体積を広げるという仕事をさせたが故に温度が低下するという解釈で大丈夫でしょうか?
  ちなみに高校生です

  No.8の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2016/03/27 22:21

No.10 回答者： uen_sap 回答日時： 2016/03/28 14:33

例えば、内圧1MPaだったとして、ふたを手で押さえて、断熱状態でゆっくり手の力を緩めます。

気体は準静的に断熱膨張します。
この時、手は仕事をしていません。
気体が仕事をしています。手の押す力の方向と逆方向に動きますね。
手は仕事をされているのです・・・・気体の温度は下がります。

No.9 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/03/27 23:03

>結果的に手が仕事をして、無理矢理気体に体積を

>広げるという仕事をさせたが故に温度が
>低下するという解釈で大丈夫でしょうか?

そうですね。「仕事をさせた」というのはかなり
適確な表現です。

>ちなみに高校生です

高校ではPdVは載っていないかも知れないですね。
もしないようなら申し訳ない。

容器内部の気体は「圧力」を持っているので、
ピストンを引けば気体は仕事をします。

ビストンを引くと容器内の圧力が低くなるので
手で引くには力が必要ですが、これは容器の外の
大気圧に逆らうからです。

容器内の気体と手がした仕事は外部の大気に対する
仕事になります。なので大気の温度は
ほんのほんの少しだけ上がるはずです(^-^;

No.8 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/03/27 21:59

う~ん、なんでこんな熱力学の入門書レベルの問題に

珍回答が集まるのかなあ～。

理想気体は位置エネルギーを持たず、運動エネルギー
のみで考えればよくて、温度は内部エネルギーに比例する
というのはどの入門書にも書いて有りますよ。
内部エネルギー=運動エネルギーです。

大気は理想気体とみなして問題ないので、その方針で
解かないと点は貰えないでしょう。

後、どうもエネルギーの出入りがないと考えて回答している
人が多いけど、断熱膨張は「熱」の出入りが無いだけで
ピストンによる容器内の気体に対する仕事が有ります。
従って気体の内部エネルギーは変化します。

PdV って熱力学の初歩で習うはずですが・・・
質問者さんも是非教科書をひらいて、
PdVの文字を探していただきたい。

理想気体では内部エネルギーの変化=温度変化です。
内部エネルギーが変わらなければ温度は変わりません。

No.7 回答者： fxq11011 回答日時： 2016/03/27 18:42

>温度が低くなる(内部エネルギーが低下する

これが間違いの出発点
すでに回答出ていますね、熱エネルギーが分子の位置エネルギーに変換された、内部エネルギは低下していませんエネルギー保存の法則の通りです。

No.6 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/03/27 09:04

>分子間距離が大きくなればなるほど位置エネルギーが大きくなる。

これですが、普通の空気の普通の圧力・温度では
この効果は大変少なく、無視できます。

圧力がピストンにする仕事の方がはるかに大きい。
ミクロな見方では、後退するピストン壁に気体分子が
衝突して減速し、運動エネルギーを失うということです。

No.5 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/03/27 08:54

容器内の気体の「圧力」がピストンに仕事をするので、その分

エネルギーが減るからです。

容器外の空気はピストンに「押される」ので逆に
エネルギーが増えます。こちらのエネルギーの
増える量が、容器内のエネルギーの減る量より大きいので
手の仕事で補う必要があるのです。

No.4 回答者： t_fumiaki 回答日時： 2016/03/27 08:18

No.3回答の補足。

手がした仕事分のエネルギーが何処へ行った？と言う意味なら
断熱膨張とは言え、完全な断熱でもないから、１部は気体へ行き、少し温度を上げる。温度低下に少しだけブレーキがかかる。

残りは体を熱くしたり、周りの空気温度を上げたりするのに使われた。

No.3 回答者： t_fumiaki 回答日時： 2016/03/27 08:04

エネルギー保存の法則が成立するから。

気体が膨張すると言う事は、気体の分子間距離が大きくなる（離れる）と言う事。分子間距離が大きくなればなるほど位置エネルギーが大きくなる。

例えば、高いところから物を落とすと壊れる。
1m上より100m上からの方が壊れ方が酷い。地球と物体間の距離が大きい100mの方が位置エネルギーが大きいため、地面に衝突するエネルギーが大きいため、壊れ方も酷くなる。

気体に戻すと、膨張させると、気体の位置エネルギーが大きくなるが、断熱膨張させてるから、その気体内でエネルギーが保存される為、運動エネルギーが小さくなってエネルギーが保存される。

運動エネルギーは、温度として観測されるから、運動エネルギーの減少は温度低下として観測される。

No.2 回答者： ginlime 回答日時： 2016/03/27 07:10

膨張する（させられる）という

自らの体積変化を伴う仕事を
した事になります。この仕事
を補うエネルギーとして温度
低下が起こります。

No.1 回答者： pink-7410 回答日時： 2016/03/27 07:05

気体を断熱膨張させる時、気体がされる仕事が負になって、内部エネルギーが減少するからだと思います。

参考程度でお願いします。