断熱過程:熱力学における重要な過程
断
熱過程とは、系と外部環境との間で
熱のやり取り(
熱の移動)がない状態を保ちながら、系の状態が変化する
熱力学的な過程です。言い換えれば、系が外部と断
熱的に隔離されている状況下での状態変化を指します。この過程においては、系の
内部エネルギーの変化は、系が外部に対して行う仕事、または外部から系に加えられる仕事によってのみ決定されます。
断
熱過程においては、
エントロピーが重要な役割を果たします。
エントロピーは系の乱雑さの度合いを表す
状態量であり、断
熱過程における不
可逆性を特徴づけます。系が断
熱的に状態を遷移する前後での
エントロピー変化は、ΔS ≥ 0 という関係式で表されます。等号が成立するのは、状態遷移が
可逆的な場合に限られ、不
可逆的な遷移では
エントロピーが増加します。これは
エントロピー増大則として知られており、
熱力学第二法則の重要な表現の一つです。
熱力学第一法則との関係
熱力学第一法則によれば、閉鎖系が状態を遷移する際に外部から流入する
熱量Qは、系が行う仕事Wと
内部エネルギー変化ΔUとの間に、Q = W + ΔU の関係が成立します。断
熱過程ではQ = 0となるため、ΔU = -Wという関係が成り立ちます。つまり、断
熱過程において系が外部に仕事を行うと
内部エネルギーが減少し、逆に外部から仕事を受けると
内部エネルギーが増加します。一般的に、
内部エネルギーの増加は温度上昇、減少は温度低下を伴います。
断熱圧縮と断熱膨張
特に流体の場合、断
熱過程は断
熱圧縮と断
熱膨張という現象として現れます。外部から力を加えて流体を圧縮すると、外部から仕事が加えられるため
内部エネルギーが増加し、温度が上昇します(断
熱圧縮)。逆に、流体が膨張して外部に仕事を行うと、
内部エネルギーが減少し、温度が低下します(断
熱膨張)。ただし、断
熱自由膨張と呼ばれるように、膨張の際に外部に仕事を行わない場合もあります。瞬間的な圧縮では
熱の移動がほとんどないため、断
熱圧縮による温度上昇は顕著です。
断
熱圧縮による温度上昇は、様々な技術に応用されています。圧気発火器は、シリンダ内の空気を
ピストンで急激に圧縮することで温度を上昇させ、発火させる装置です。東南アジアなどでは伝統的に使用されてきたほか、実験観察用のものも存在します。
ディーゼルエンジンは、燃料の着火に断
熱圧縮を利用しています。さらに、
大気圏再突入時の宇宙機の加
熱や、隕石の燃え尽きる現象も、周囲の空気の断
熱圧縮による温度上昇が大きく寄与しています。しばしば言われる空気との
摩擦のみによる説明は、不正確です。
準静的断熱過程
準静的過程とは、系の状態変化が非常にゆっくりと起こり、常に平衡状態にあるとみなせる過程です。準静的断
熱過程では、
エントロピー変化はゼロ(ΔS = 0)となります。これは、準静的断
熱過程が
可逆過程であることを意味し、等
エントロピー過程と呼ばれることもあります。カルノーサイクルは、準静的断
熱過程と準静的
等温過程からなる重要な
熱力学サイクルであり、
熱機関の
熱効率の上限を与えます。
理想気体が断
熱準静的に変化する場合、
圧力Pと体積Vの間にはポアソンの法則(PVγ = 一定、γは比
熱比)が成り立ちます。この法則を用いて、断
熱準静的過程における
理想気体がする仕事などを計算することができます。この仕事は、
内部エネルギーの変化と等しくなります。
断
熱火炎温度は、燃焼反応が断
熱的に起こった場合に到達する温度です。例えば、
アセチレンの燃焼(C2H2 + (5/2) O2 → 2 CO2 + H2O)を考えます。標準燃焼
熱と定圧
熱容量を用いて、断
熱火炎温度を計算することができます。定圧
熱容量を温度の一次関数と仮定し、エネルギー保存則を用いることで、炎の温度を計算することができます。計算の結果、
アセチレンの炎は約4100℃となります。
まとめ
断
熱過程は、
熱力学において重要な概念であり、様々な自然現象や工学的応用に見られます。本記事では、断
熱過程の基本的な性質、
エントロピーとの関係、
理想気体における挙動、そして断
熱火炎温度の計算方法までを解説しました。これらの理解は、
熱力学のより深い理解につながります。