「熱エネルギー」とは？熱力学第一法則と併せて理系ライターが丁寧に解説

前節で述べたように、失われたように見える力学的エネルギーはこれに見合うだけ温度を上げる働きをしているのです。そのため、力学的エネルギーは失われたのではなく、温度が上がったのにともなって物体のエネルギーが力学的エネルギー以外の形で増加していると考えられます。これを同じ変化が熱によって起こるのですから、熱を加える(奪う)とは、力学的な仕事以外のやり方でエネルギーを与える(とる)ことであると考えられるでしょう。

注目する系のエネルギーを変化させるには、外から力を加えて圧縮したり摩擦したりして力学的な仕事をしてもよいし、温度の高い熱源と接触させて熱するというやり方でエネルギーを授受してもよいのです。このとき、仕事あるいは熱のどちらのやり方でエネルギーを加えるにしても、外部が失った分だけ系のエネルギーは増加します。

つまり、エネルギーの総量は保存されているのです。そこで起こったのは外部から系にエネルギーが移ったことであり、このエネルギーは物体に保有されていて、消えてなくなっり勝手に増えたりは絶対にしません。

系のエネルギーが変わる時に、熱によって温度が変わるのと、圧縮のように仕事によって変形するのとでは、見た目に明らかな違いが認められますから、系がエネルギーを保有する形態として熱あるいは熱エネルギーというようなものを考えたくなるかもしれません。しかし、熱というのは仕事と同じように、エネルギーが出入りするときの起こり方の区別であって、それによって出入りしたエネルギーには区別がないのです。

熱を加える(奪う)という表現は、物体がもっている熱を移すような印象を与えるかもしれませんが、ここで熱をといっているのは熱するというやり方でエネルギーをという意味になります。簡単のために、物体の力学的以外の状態変化に注目することにし、物体は静止していて、その運動エネルギーは0であり、位置エネルギーも変化しない場合を考えましょう。

このとき系のエネルギーで変化するのは、普通の方法では見えない物質内部の分子の変位や運動に関係したエネルギーなのです。これを内部エネルギーとよび、通常はUで表されます。

内部エネルギーUは、変化の初めの状態1での値をU1、終わりの状態2での値をU2とすると、変化分U2-U1は変化の起こり方にはよらず、2つの状態だけできまった値になります。この値は、先ほど述べたエネルギー保存の関係により外から与えたエネルギー、すなわち外から加えた仕事の総量Wと外から加えた熱の総計Qとの和に等しいのです。それを表したのが上記1式になります。

この関係は熱に関する基本法則の一つで、これが熱力学第一法則です。状態が1から2まで変化する時、内部エネルギーの変化分は状態1と2だけできまりますが、WとQのそれぞれは変化の起こり方や道筋によって違った値になります。したがって、仕事をW、熱をQだけ余分にもっているなどと言う事はできません。

仕事や熱はエネルギーが出入りする時の形式を区別するものであり、エネルギーとして熱とか仕事とかいう形態があるわけではないのです。よって1式は、外から加えられたエネルギーの和W+Qが変化の起こり方や道筋によらずに内部エネルギーの増加に等しく、エネルギーが保存されることを示しています。