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「熱エネルギー」という用語は、物理学や工学においてしばしば曖昧に使用されます。[1]これは、次のようないくつかの異なる物理的概念を表すことができます。
- 内部エネルギー: 物質または放射線の体内に含まれる総エネルギー。
- 熱: 熱力学的仕事や物質の移動以外のメカニズムによってシステムとその周囲の間で伝達されるエネルギー。
- 単一の微視的自由度に関連付けられた特性エネルギーk B T。ここで、 T は温度、k B はボルツマン定数を表します。
マーク・ゼマンスキー（1970）は、「熱エネルギー」という用語は曖昧であるため避けたほうがよいと主張している。彼は混乱を避けるために「内部エネルギー」や「熱」のようなより正確な用語を使用することを提案している。[1]しかし、この用語は一部の教科書で使用されている。[2]
熱と内部エネルギーの関係
熱力学では、熱は伝導、放射、摩擦など、熱力学的仕事や物質の移動以外のメカニズムによって熱力学的システムへ、または熱力学的システムから移動するエネルギーです。 [3] [4]熱はシステム間で移動する量を指し、1つのシステムの特性、またはそのシステムに「含まれる」特性を指すものではありません。一方、内部エネルギーとエンタルピーは単一のシステムの特性です。熱と仕事は、エネルギーの移動が発生する方法によって異なります。対照的に、内部エネルギーはシステムの状態の特性であるため、エネルギーがどのようにそこに到達したかを知らなくても理解できます。[5]
マクロ的な熱エネルギー
物体の内部エネルギーには、分子の微視的な運動エネルギーに加えて、個々の分子に属する化学エネルギーや、分子間の相互作用に関与する全体的な結合位置エネルギーなどが含まれます。[6]熱エネルギーは、内部エネルギーまたはエンタルピーに寄与するものと見なすことができます。
化学的内部エネルギー
物体の内部エネルギーは、化学ポテンシャルエネルギーが非化学エネルギーに変換される過程で変化することがある。このような過程では、熱力学系は周囲に仕事をしたり、熱としてエネルギーを得たり失ったりすることで、内部エネルギーを変化させることができる。「変換された化学ポテンシャルエネルギーが単に内部エネルギーになった」とだけ言うのは、あまり明快ではない。しかし、「化学ポテンシャルエネルギーが熱エネルギーに変換された」と言う方が便利な場合もある。これは、通常の伝統的な言葉で「反応熱」という言葉で表現される。[7]
内部相互作用のポテンシャルエネルギー
物質の塊、特に液体や固体などの凝縮物質では、分子やイオンなどの構成粒子が互いに強く相互作用し、そのような相互作用のエネルギーが物体の内部エネルギーに大きく寄与します。しかし、それらは温度に現れる分子の運動エネルギーとしてすぐには現れません。そのような相互作用のエネルギーは、物体の全体的な内部微視的位置エネルギーへの寄与として考えることができます。[8]
微視的熱エネルギー
理想気体の統計力学的説明では、分子は瞬間衝突の間独立して運動し、内部エネルギーは気体の独立した粒子の運動エネルギーの合計に過ぎず、この運動がシステムの境界を越えた熱伝達の源であり効果である。瞬間衝突以外の粒子相互作用を持たない気体の場合、「熱エネルギー」という用語は事実上「内部エネルギー」と同義である。[9]
多くの統計物理学の教科書では、「熱エネルギー」はボルツマン定数と絶対温度の積を指し、 とも表記される。[10] [11] [12] [13]
熱電流密度
物質の流れが伴わない場合、「熱エネルギー」という用語は熱流によって運ばれるエネルギーにも適用されます。[14]
参照
参考文献
- ^ ab Zemansky, Mark W. (1970-09-01). 「物理教育における「熱」という言葉の使用と誤用」.物理教師. 8 (6): 295–300. Bibcode :1970PhTea...8..295Z. doi :10.1119/1.2351512. ISSN 0031-921X.
- ^ 例えば: Knight, Randall Dewey (2008). Physics for Scientists and Engineers . サンフランシスコ: Pearson Addison Wesley. ISBN 978-0-8053-2736-6. OCLC 148732206.
- ^ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics、American Institute of Physics Press、ニューヨーク、ISBN 0-88318-797-3、p. 82。
- ^ ボーン、M.（1949）。原因と偶然の自然哲学、オックスフォード大学出版局、ロンドン、p.31。
- ^ Robert F. Speyer (2012).材料の熱分析. 材料工学. Marcel Dekker, Inc. p. 2. ISBN 978-0-8247-8963-3。
- ^ Baierlein, R. (1999). 熱物理学. ケンブリッジ大学出版局. pp. 8–. ISBN 978-0-521-65838-6。
- ^ Anderson, GM (2005). Thermodynamics of Natural Systems、第 2 版、Cambridge University Press、ISBN 978-0-521-84772-8、7ページ: 「また、どのような種類のエネルギーが還元されても (これを「化学エネルギー」と呼びます)、それは単なる熱エネルギーではないことにも留意してください。」
- ^ Baierlein, R. (1999). 熱物理学. ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0-521-65838-6。8 ページ:「分子間の位置エネルギー (主に電気起源)」
- ^ キッテル、チャールズ(2012)。初等統計物理学。クーリエコーポレーション。p. 60。ISBN 9780486138909。
- ^ ライヒル、リンダ E. (2016).統計物理学の現代コース.ジョン・ワイリー・アンド・サンズ. p. 154. ISBN 9783527690466。
- ^ カルダー、メラン（2007年）。粒子の統計物理学。ケンブリッジ大学出版局。p.243。ISBN 9781139464871。
- ^ ファインマン、リチャード P. (2000)。「未来のコンピューティングマシン」。リチャード・ファインマン選集: 解説付き。ワールド・サイエンティフィック。ISBN 9789810241315。
- ^ ファインマン、リチャード・P. (2018)。統計力学：講義集。CRCプレス。p.265。ISBN 9780429972669。
- ^ アシュクロフト、ニール;マーミン、N. デイビッド(1976)。固体物理学。ハーコート。p. 20。ISBN 0-03-083993-9
熱電流密度は
熱流の方向に平行なベクトルであると定義され、その大きさは流れに垂直な単位面積を横切る単位時間あたりの熱エネルギーを与えます
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