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学識・型4|熱力学の状態変化は「何がゼロか」で9割決まる|等温・定圧・定容・断熱【甲種化学】

覚えるのは熱力学第一法則 ΔU = Q − W と、各変化で何がゼロになるかの2つだけです。式を4つ×4項目=16個覚えるのではなく、1つの法則と4つのゼロから毎回導きます。

  • 計算の大問では10回中5回(主5題・従2題)。記述の問6でも3回出ている
  • 可逆断熱変化 pV^γ = 一定 の3つの形を使い分ける
  • エントロピーとカルノーサイクルはT-S線図で読む

型別の全体像は学識の計算は「10の型」しか出ないへ。

10回中5回、大問で出た ── 可逆断熱・エントロピー・カルノー

年度・ルート・問テーマ主/従
R3 国試 問2可逆断熱変化 pV^1.4 = 一定主
R5 国試 問2定容加熱(マイヤーの関係・Q = m cv Δt)主
R6 国試 問2逆カルノーサイクルの T-S 線図主
R3 検定 問2定容加熱・可逆断熱膨張主
R5 検定 問2エントロピーの定義・蒸発のエントロピー・等エントロピー膨張主
R5 検定 問1ヘリウム-酸素混合気の定容モル熱容量従
R3 検定 問1窒素-水蒸気の冷却凝縮(顕熱計算)従

可逆断熱変化が3回、エントロピーが2回、カルノーが2回(うち1回は検定R5問6の記述)。 この3つで押さえられます。

記述の検定問6でも、第一法則(R4)、p-V線図・カルノー効率(R5)、マイヤーの関係(R6)が出ています(→ 問6の記述問題)。

覚えるのは「何がゼロか」の4行だけ

4つの変化は p-V 線図の4本:同じ始点から定圧は水平、定容は垂直、等温は双曲線、断熱はより急な曲線になり、それぞれ Q=ΔH・W=0・ΔU=0・Q=0 が決まる

問題文の「等温で」「断熱的に」を読んだ瞬間に、1つの項が消えます。この表が型4のすべてです。

熱力学第一法則 ΔU = Q − W(ΔU:内部エネルギー変化、Q:系が受け取った熱、W:系がした仕事)

変化ゼロになるもの結果
等温(T一定)ΔU = 0
(ΔH = 0)
Q = W 受け取った熱がそのまま仕事に
定圧(p一定)──Q = ΔH 受け取った熱=エンタルピー変化
定容(V一定)W = 0Q = ΔU 受け取った熱がすべて内部エネルギーに
断熱Q = 0ΔU = −W 仕事をした分だけ内部エネルギーが減る

等温で ΔU = 0 なのは、理想気体の内部エネルギーは温度だけで決まるからです(分子間力がない)。同じ理由で ΔH = 0 にもなります(H = U + pV、pV = nRT)。実在気体では分子間力に逆らって膨張するので成り立ちません。→ 型2|実在気体

計算式(導けるが、書けたほうが速い)

変化W(系がした仕事)QΔU
等温nRT ln(V₂/V₁)=W0
定圧pΔV = nRΔTnCpΔTnCvΔT
定容0nCvΔT=Q
断熱−nCvΔT0nCvΔT

ΔU = nCvΔT はどの変化でも成り立ちます。 定容変化でなくても Cv を使う ── ここで混乱する人がとても多い。同様に ΔH = nCpΔT もどの変化でも成り立ちます。

→ 熱力学第一法則と4つの状態変化

可逆断熱変化 ── 与えられた量で3つの形を使い分ける(10回中3回)

断熱圧縮は高温の等温線へ:空気を100 kPa・300 Kから500 kPaへ可逆断熱圧縮すると、断熱線は300 Kの等温線を離れ475 Kの等温線に乗る
与えられているもの使う形(ポアソンの式。3つは同値)
圧力と体積pV^γ = 一定
温度と体積TV^(γ−1) = 一定
温度と圧力T p^((1−γ)/γ) = 一定(= T^γ p^(1−γ) = 一定)

断熱圧縮すると温度が上がります。 3つとも pV = nRT で行き来できるので、pV^γ だけ覚えてその場で変換しても構いません。

γ = Cp/Cv(比熱比)。単原子分子で 1.67、二原子分子(空気・N₂・O₂)で 1.40。R3国試問2で「pV^1.4 = 一定」と与えられていたのは、二原子分子だからです。

ミニ例題

空気(γ=1.40)を 100 kPa、300 K から 500 kPa まで可逆断熱圧縮した。到達温度は?

〔解答〕 T p^((1−γ)/γ) = 一定 より

  1. T₂/T₁ = (p₂/p₁)^((γ−1)/γ) = 5^(0.4/1.4) = 5^0.2857
  2. log 5^0.2857 = 0.2857 × 0.699 = 0.1997 なので
  3. 10^0.1997 = 1.584
  4. T₂ = 300 × 1.584 = 475 K(202℃)

指数計算は log を取って掛けて逆引きします。型9のTNT換算と同じ操作です。

等温圧縮と断熱圧縮の比較(記述で問われる)

等温圧縮断熱圧縮
温度一定上がる
同じ圧力比に必要な仕事小さい大きい
p-V線図の傾き緩い(pV=一定)急(pV^γ=一定、γ>1)

だから圧縮機は多段にして途中で冷却し、等温圧縮に近づけて動力を減らします。→ 断熱圧縮による発火/型5|圧縮機の理論動力

エントロピー ── 可逆断熱なら ΔS = 0(10回中2回)

可逆断熱は真下、不可逆は右へ:T-S線図で高圧p₁から低圧p₂へ断熱膨張すると、等エントロピー膨張はΔS=0で真下、実際の膨張はΔS>0で右へずれ温度の下がり方が小さい
場面式
定義dS = δQ_rev / T(可逆過程で受け取った熱を、そのときの絶対温度で割る)
① 相変化(等温等圧)ΔS = ΔH / T 例:水の蒸発 ΔS = 40,700 / 373 = 109 J/(mol·K)
② 理想気体の等温変化ΔS = nR ln(V₂/V₁) = −nR ln(p₂/p₁)
③ 温度変化(定圧)ΔS = nCp ln(T₂/T₁)

「等エントロピー膨張」と書いてあったら、可逆断熱膨張のことです。 断熱(Q=0)かつ可逆なら dS = δQ/T = 0。使う式は pV^γ = 一定です。

R5検定問2では、①が「蒸発のエントロピー」として(潜熱を温度で割るだけ)、等エントロピー膨張もこの形で出ました。

過程ΔS
可逆断熱= 0
不可逆断熱> 0(増大する)
孤立系全体≧ 0(熱力学第二法則)

実際の圧縮機・タービンは不可逆なのでエントロピーが増え、その分だけ効率が落ちます(等エントロピー効率=断熱効率)。→ エントロピーとカルノーサイクル

カルノーサイクル ── T-S線図で長方形、効率は温度だけで決まる(10回中2回)

カルノーは T-S 線図で長方形:上辺の下の面積が受け取る熱 Q_H、下辺の下が捨てる熱 Q_L、長方形が仕事 W で、効率は温度だけで決まる

等温変化は横線、断熱可逆変化は縦線なので、T-S線図では長方形になります。面積が熱量なので、ΔS が約分で消え、効率が温度だけで決まります。

過程内容
① 等温膨張高温 T_H で熱 Q_H を受け取る
② 断熱膨張温度が T_H → T_L へ
③ 等温圧縮低温 T_L で熱 Q_L を捨てる
④ 断熱圧縮温度が T_L → T_H へ
  • 面積 = 熱量(T-S線図では ∫TdS = Q)
  • 上辺の下の面積 = 受け取った熱 Q_H = T_H ΔS
  • 下辺の下の面積 = 捨てた熱 Q_L = T_L ΔS
  • 長方形の面積 = 正味の仕事 W = (T_H − T_L)ΔS

熱効率は η = W / Q_H = (T_H − T_L) / T_H = 1 − T_L/T_H。絶対温度で計算します(摂氏では全然違う値になる)。

逆カルノー(冷凍サイクル)── R6国試問2

逆回しにすると、仕事を加えて低温側から熱を汲み上げる装置になります。

  • 冷凍機:COP = Q_L / W = T_L / (T_H − T_L)
  • ヒートポンプ:COP = Q_H / W = T_H / (T_H − T_L)
  • → COP_HP = COP_冷凍 + 1

COPは1を超えます(汲み上げた熱/投入した仕事)。熱効率と混同しないこと。温度差が小さいほど COP は大きくなります。→ 型5|圧縮機動力と冷凍サイクル/冷凍サイクルとCOP

Cp と Cv ── 差がちょうど R(マイヤーの関係)

定圧で余分に要る熱がちょうど R:1 molを1 K上げるとき、定容では熱20.8 Jがすべて内部エネルギーに、定圧では29.1 Jのうち8.3 J(R)が押す仕事になる

Cp − Cv = R、γ = Cp / Cv。定圧で加熱すると気体は膨張して外に仕事をするので、その分だけ余分に熱が要ります。

記述問題で「CpとCvはなぜRだけ違うか」がそのまま出ています(R6検定問6(1))。

分子CvCpγ
単原子(He, Ar)(3/2)R = 12.5(5/2)R = 20.81.67
二原子(N₂, O₂, 空気)(5/2)R = 20.8(7/2)R = 29.11.40
多原子(CO₂ ほか)3R 程度4R 程度1.3程度

自由度の数だけ (1/2)R ずつ増えます(単原子は並進3方向、二原子は回転2方向が加わる)。

混合気体の熱容量(R5検定問1と同じ形)

モル分率で加重平均します:Cv,mix = Σ(yᵢ × Cv,ᵢ)

例:ヘリウム40 mol%、酸素60 mol% の混合気体の定容モル熱容量は?

〔解答〕 Cv,mix = 0.40×12.5 + 0.60×20.8 = 5.0 + 12.5 = 17.5 J/(mol·K)

質量分率ではなくモル分率です。→ 比熱・マイヤーの関係・比熱比

本番前の確認 ── よくある失点

失点正しくは
等温で Q = 0 と思う等温はΔU = 0。Q=0 は断熱
断熱変化で Cp を使うΔU にはいつでも Cv
カルノー効率を摂氏で計算絶対温度(+273.15)
COPと熱効率を混同COPは1を超える。η = 1 − T_L/T_H とは別物
γ を1.4固定で使う単原子は1.67。問題文の気体を確認
指数計算で手が止まるlog を取って掛けて逆引き

練習は、「何がゼロか」の4行を白紙に30秒で書くことと、ΔU = nCvΔT はどの変化でも成り立つと頭に入れること。この2つで型4の半分は取れます。 式を覚えるのではなく、消える項を見つける訓練です。

次は型1(理想気体・混合気体)です。→ 型1|理想気体と混合気体

型の全体像は計算10の型、学識全体の攻略は学識の出題マップへ。

出典:高圧ガス保安協会『甲種化学・機械 試験問題集 令和7年度版』。令和2〜6年度の国家試験5回・技術検定5回、計60大問を筆者が型に分けて集計しました。問題文は転載せず、要約して解説しています。

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