【物理】熱力学の攻略・目でとらえられない法則を理解する

焚き火のイラスト
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熱力学の難しさとコツ

　熱力学は現代でもエンジンなどに応用されている大変重要な学問で、そのために高校物理でも扱う範囲になっています。実際に目に見える現象ではあまりないので力学より苦手という方も多いかもしれません。では、どうやって熱力学の領域の勉強をすればよいのでしょうか。

熱力学の入り口・温度変化による熱エネルギーのやりとりを知る

　熱力学で恐らく最も早く手をつけることになるであろう分野は「液体・個体の温度変化の法則」でしょう。問題の例を挙げると、「27度の水に127度の鉄球を入れる」などがありますね。この系統の問題では「エネルギーのやり取りの把握」が大事です。液体個体の温度変化ではとにかく「どこからどこへエネルギーが移動し、どうやって使われたかしっかり追う作業」を徹底して行っていく必要があるのです。熱い鉄を冷たい水に入れたら鉄から水へ熱が移動しているというように、ふんだんに熱のやりとりを想像してください。熱力学では「エネルギー保存則」について着目していくことになります。目では見えないやりとりを簡易的にイメージする能力が試されるので、徹底的に図示などの練習をしていきましょう。

やかんがストーブの上に置かれたイラスト

気体の状態変化の特徴を理解しよう

　熱力学における第一関門はおそらくこの「気体の状態変化」でしょうか。というのも、気体の変化(=定積、定圧、等温、断熱、etc...)ごとに考えなければならない公式が多く、またエネルギーのやりとりの向きなどもかなりややこしいためです。熱力学を得意になるためには、基礎的な法則とその応用を行ってそれぞれの変化の過程を説明できるようになる必要があります。各々の変化の過程にまつわる法則および公式をただ覚えて用いようとするのではなく、なぜその法則が成立するのかよく理解しておくと実際に問題を解くときに重宝します。

　また、気体の状態方程式のような非常に基礎的な式の応用も忘れないようにしましょう。一度手が止まってしまったらこの式で攻略できないかどうか基礎に立ち返って考えると意外と解けることもありますし、難しい問題の解法の糸口がこの式にある場合も多いです。理想気体全ての式に平等に扱えるという性質があるため、それ故に適応できる範囲も広いことを活かしましょう。

気球のイラスト

p-V線図をマスターする

　熱力学的な現象の説明に欠かすことができないのがこのp-V線図と言われるグラフです。このグラフの見方と計算を理解することができてようやく熱力学に慣れてきているとも言えるでしょう。グラフの読み取りで大切なことは変化の過程の種類と境目の状態を見定めることです。サイクルに含まれたそれぞれの変化、すなわち過程を一つ一つしらべることでグラフ全体がどういったサイクルなのか解析することができますし、変化の種類がわかれば変化の境界の状態もボイルシャルルの法則や状態方程式を用いて調べることができます。

　線図を用いた問題は熱力学では頻出で、グラフの見方を理解するだけでも多くの問題に対応することができます。物理で受験する学生にとっては是非完璧にしてほしい領域です。

苦手だからこそ克服したい！熱効率を理解するコツ

　熱効率は言葉で言われてなんとなくわかる一方で実際に求めることが難しいというパターンが多い受験生を悩ませる問題でしょう。大問の最後に求めさせられることが多いため捨て問として放置され気味なことも苦手意識を加速させています。しかし、一度原理と意義を理解してしまえば割とすんなりと解けるようになるためいつまでもできないままではいけません。

　熱効率は、受け取った熱量に対して期間が成した仕事の割合を表す指標で、した仕事を受け取った熱量で割れば求まります。この受け取った熱量は「外部からもらった正の熱」であり、熱機関が外に捨てた熱量は含みません。多くの方はこの熱がもらったものであるかどうかの判断でミスをしたり、勘違いをしたりしていることでしょう。熱力学の第一法則などを用いて熱の移動の方向、すなわち貰った熱なのか捨てた熱なのかを各変化で判別する作業をすると確実です。

勉強が不調な人のイラスト（男性）

まとめ

　熱力学は傾向的にはじめは慣れるまで時間がかかる一方、慣れればスピーディーに問題を解くことができるようになる分野です。エネルギーのやり取りの理解も進むため、力学同様に他の分野の勉強の手助けにもなることもあります。多くの理系大学の入試では入学後も学習することから熱力学は頻出分野となっているため、確実におさえておきたいところです。

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