化学の基礎II(G) (20131029) M: 以下は宮本のコメント
13s3003: 
教科書における状態のシリンダー内に n (mol) の気体分子があったとして $ \displaystyle P_0 V_0 = n R T$ より $ \displaystyle P_0 = \frac{n}{V_0} R T$ となる. ここで $ \displaystyle \frac{n}{V_0}$ はシリンダー内の気体の密度 (濃度) で, これも V の関数である. このことから, 気体がされた仕事は内部気体の密度にも関係していると考えたが, これは正しいか. M:  $ \displaystyle V_0$ は, 変数?定数?

13s3004: 
物質は 固体→液体→気体 となる時 大抵体積が大きくなり仕事をしますが, 水が 固体→液体 となるとき体積が小さくなるのは仕事をされたということですか. M: 定義に従って考えればいいのでは(?)

13s3005: 
気体が圧縮され内部エネルギーが増加するのに なぜ気体より持つエネルギーの低い液体になるのですか? M: ``持つエネルギー'' とは, 何のことか? // その条件で本当に液体になるのか?

13s3006: 
台風の 10 倍近くの速度で窒素分子が大気中を移動しているなんて危険な気がします. 人に衝突したときに皮膚が傷ついたりしないのでしょうか. 分子レベルだから平気なのでしょうか. M: 運動している気体分子が, 壁に衝突したらどうなるか, 既に学んだよネ :-) // 平均自由行程・衝突頻度なども考えてみよう.

13s3007: 
もし系が固体や液体だとすると, 外圧を変化させても体積変化がないと思うんですけど, 固体や液体だと仕事の出入りはないのでしょうか. M: 13s3004 参照

13s3008: 
永久機関はないといいましたが, 少しでも永久機関に近づけるためにどのような研究がされているのですか? M: 近さを, どのようにして測りますか?

13s3009: 
気体の仕事で, 系に圧力をかけるとき内側の圧力を考えないのはなぜですか? M: 仕事の定義を再確認する必要あり(?)

13s3010: 
大気圧は 1 bar にほぼ等しいということでしたが, 1 bar は何を基準に定められているのですか? たまたま大気圧と値が近くなったのですか? M: 私は知りません. 調べて分かったら, 教えてくださいネ

13s3011: 
外界がなした仕事と気体がされた仕事の符号が逆なのはなぜですか. 仕事の向き・大きさが等しいので, 2 つの仕事の値は同じになるのではないのですか. M: ``仕事'' という形態でのエネルギーの移動を考える. 外界から減った分だけ, 系で増加している.

13s3012: 
いかなる条件下においても第一種永久機関は実現できないのでしょうか. また, 熱力学第一法則を無視できるような物質が発見されたなら, 或いは第一種永久機関は実現可能なのでしょうか. M: もしもそのような物質があったなら, 日夜, 陰に陽に, 正しさが検証されつづけている熱力学に真向から反することになり, 矛盾だ.

13s3013: 
どんな法則にも例外はあるんですか. M: 私は全ての法則を知らないので, わかりません :-p

13s3014: 
真空状態を作り出す装置があるようですが, その装置の容器が大気圧で押し潰されないのはなぜですか. M: 丈夫だから. // どのくらいの力がかかるか, 計算してみればいいのでは(?)

13s3015: 
熱は物体から物体へ移っていくそうですが, その移り変わりを逆のぼると何か 1 つの物体にたどりつくのでしょうか. M: 熱と仕事は相互変換されるので, ある仕事で熱が発生した所が開始点(?) あるいはビッグバン(?)

13s3016: 
気体に対して熱が加えられた場合, エネルギーは各分子に分配され, 各分子の並進運動の運動エネルギーを増加されますが, 各分子の回転運動のエネルギーは増加しますか? M: 単原子分子には, 分子の内部運動が存在しないので, 全てのエネルギーは並進運動に配分される. しかし一般の分子では, 並進以外に回転と振動の自由度があり, これらに対する分配関数を考える.

13s3017: 
最後の問題の話で, 音速をはるかに超えるスピードで空気中を飛び回っているのに, 我々に影響を与えていないのはどうしてなのでしょうか. 質量が関わっているのだろうか. M: ``空気中を飛び回る'' という表現には少々違和感が... // 13s3006 参照

13s3018: 
温度が 0 K で運動エネルギーがない気体は重力によって地面に落ちますか? // 最近物理の法則で間違いであったとわかった法則はありますか? M: 運動エネルギーを持っていても, 落ちるでしょ. だから万有引力. // 読書感想文ネタ(?)

13s3019: 
気体に限らず, 液体, 固体であっても $ \displaystyle W = - \int_{V_1}^{V_2} P(V)$   d$ V$ が成り立つとありますが, $ \displaystyle W = -P \Delta V$ も成り立つのですか. M: その二つの式は, どういう関係にあるか?

13s3020: 
永久機関はできないとのことでしたが, 将来研究が進んだら開発される可能性はないのでしょうか? M: なぜ永久機関はできないのか? // (*) もし可能であれば, 科学に対してどんな影響があるだろうか?

13s3021: 
bar と atm はどちらが先に使われていたのでしょうか. M: 読書感想文ネタ(?)

13s3022: 
太陽は外界からエネルギーを受け取らずにエネルギーを放出していますが, 永久機関とは呼べないのですか? M: 太陽のエネルギーの源泉は何か?

13s3023: 
断熱条件で気体を圧縮すると内部エネルギーが増え, 気体の温度が上がっていくが, 臨界状態に達するまで, 圧力を上昇させることは可能なのでしょうか? M: その ``臨界状態'' とは, 何か?

13s3024: 
外界が真空の場合, あるいはピストン内が真空の場合, 外界ないしピストンは仕事をしたりされたりするのは可能なのであろうか? M: 別に, 手で押し引きすればいいのでは?

13s3025: 
風がふくと風圧を感じますが, 風圧も気圧の一つとしても良いのでしょうか? 指向性のある気圧というのは間違いでしょうか. M: ``気圧'' という用語の定義は?

13s3026: 
熱を仕事に変える時の効率を上げるにはどうすればいいですか. M: ``効率'' の定義は? 実は個別の熱機関の構造などに依存せずに, 最大効率がどのくらいかを予言できるのが, 熱力学のすごい所(!) // 個別の熱機関の構造に依存する話なので, 場合によるだろう.

13s3028: 
第一種永久機関と第二種永久機関は どういう共通点があるのですか. M: 七文字中六文字が共通 :-p

13s3029: 
系の内部エネルギーを大きくしたり小さくする時にエネルギーの変化の速度を変えるには どうするんですか? M: 可逆過程とかを調べてみたらいいのでは(?)

13s3030: 
熱力学の第 2 法則も経験則なんですか? M: 読書感想文ネタ(?)

13s3031: 
第 2 種の永久機関はどのようなものですか. M: 教科書の p.58 や参考書を読んだか?

13s3032: 
さまざまな熱機関が存在しますが, どのようにすると熱を仕事に変える効率が上がりますか. M: 13s3026 参照

13s3033: 
仕事 (エネルギー) を単純に 力×キョリ で決められるのだろうか? (世の中には四角い物ばかりでないため.) M: そんな時には $ P \, \Delta V$ (圧力×体積変化) :-)

13s3034: 
熱伝導率は物質によって変わるものだと思うが, 圧力や物質間の温度差によって熱の伝わる速さは変わるのか? M: 熱伝導に関するフーリエの法則を調べてみればいいのでは(?)

13s3035: 
生物が生きていくために体を構成する分子にエネルギーが必要だと思うのですが, 生物が死んだとき, エネルギー保存則が宇宙全体で成り立つのなら, それらのエネルギーは どこへ行くのでしょうか? M: 生物のエネルギーを霊魂のようなものと考えていませんか? // 生物の ``死'' とは? 死の直前と直後で何が違う? 生死の境界線を引く基準は?

13s3036: 
経験則を, 数値計算等理論的にみちびき出すことは できるのか? M: 別の定理などから演繹的に導出される法則は, 経験則とは言わないのでは(?) // また数値計算をすれば ``理論的'' という訳でもない.

13s3037: 
現在の技術で断熱条件下で気体の圧縮をぎりぎりまで行った場合 気体の体積, 圧力, 温度はどのくらいの値になるのでしょうか. また逆の場合は どこまでいくのでしょうか. M: 自分でどのくらい色々と調べてみましたか?

13s3038: 
冷が低温の物体から高温の物体へ流れると考えることもできますか. M: さて, どうでしょう. まず ``冷'' とは何か? どうやって測るか?

13s3039: 
永久機関に最も近いものは何ですか? M: 13s3008 参照

13s3040: 
内部エネルギーの変化量 $ \Delta U$ が 0 でないということについて $ \Delta U$ が正の場合も負の場合も無限にエネルギーを産む, ということなのでしょうか. $ \Delta U$ が負だとエネルギーを産む, という発想が出ないのですか. M: では, 状態を逆向きに変化させれば(?)

13s3041: 
工場見学はどうでしたか? M: ``どう'' とは? // あなたは?? あなたは工場見学をどのように生かしますか?

13s3042: 
音は, 空気が伝えているのに, 原子の平均速度が音速より速いのはなぜですか? M: 13s3006 の回答も参照

13s3043: 
「第一種」や「第二種」などの数字の順番は どのように決められた? M: 決めた人に聞いてみればいいのでは(?) :-p // 読書感想文ネタ(?)

13s3044: 
本書では系にエネルギーが加えられる方向を正にとると書いてあるが, 使用する符号をすべて入れ換えれば問題はないのですか? (またそのような本もあるのか?) M: 原理的にはそう見えるが, 「気体に熱を加えて内部エネルギーが ``減少'' すると, 気体分子の運動エネルギーの総和は負の方向に変化し (減少し), 個々の気体分子の運動速度は ``増加'' する」とは, 分かり難いと思いませんか?

13s3045: 
熱力学第一法則のように なぜ成り立つのかわからない法則は 他にもあるのですか? M: 例えばニュートンの運動方程式は, なぜ成り立つのかわからない. 他のもっと基本的な法則から演繹的に導出できるものではない. 単に, この世界の法則がそうだというだけ. その意味では, 数学の公理に近いかも.

13s3046: 
エネルギー保存の法則は経験則とのことでしたが, 他にもこのように経験則で証明の出来ていない法則はありますか? M: 13s3045 参照

12s3017: 
系の気体が圧縮されるとき外界が系に対して行なうことができる仕事量は なぜ可逆のとき最小となるのか? M: 同じ体積だけ圧縮するとすれば, 外圧が小さい方が仕事量が小さい. また内圧よりも大きい圧力をかけなければ, そもそも圧縮できない. さてどうすればいいでしょうか?

12s3026: 
熱と仕事は相互に変換できるとありましたが, その変換の効率の限界は どれくらいなのでしょうか? M: 最大効率について, マッカーリ&サイモンや アトキンスを参照

12s3047: 
熱力学の第一法則で「全宇宙でエネルギーの総量は変化しない」とおっしゃっていましたが, なぜそのようなことが言えるのですか? 全宇宙の外側からなんらかのエネルギーが与えられ, 全宇宙のエネルギーの総量が変化するというケースはないのでしょうか? そもそも現在の全宇宙の持つエネルギーは, 〓い過去に宇宙ではない何かによって与えられたエネルギーではないのでしょうか? そうだとしたら熱力学第一法則には矛盾が生じないでしょうか? [〓は判読不能] M: 宇宙の外とは, どこのことか? // 宇宙の始まりについては, まだはっきり分かっていない. // 大げさに言えば「全宇宙〜」となるが, 例えば数光年先の地点で, 熱力学の第一法則が成り立つことが確認された訳ではない. しかしわれわれの観測できる宇宙の局所的な範囲内で, 熱力学の第一法則は十分に成り立っている.

11s3001: 
ピストンを急に動かすときと慎重に動かすときでは, 系の変化は異なるものになるのですか? M: ``慎重に動かす'' とは, どういうことか? // ピストンは有限の質量を持つので, 急に動かすことは運動の加速度が大きいことに相当し, すなわちピストンにかける力が大きい. 逆にゆっくり動かすと, かける力は小さいことになる. 同じ距離だけピストンを動かすとすると, 系に与える仕事は同じだろうか?

11s3014: 
先週の質問に対するコメントについてなのですが, 同じ物理量, 異なる物理量はどのようにすれば判別できるのでしょうか? // 関連して (してない?) 熱＝[イコール]エネルギー という話は, 熱とエネルギーの物理量が同じであるという事でしょうか. M: 単位が異なれば, 明らかに別のもの. あとは, 意味を考える. 一次反応の反応速度定数と振動数は共に単位は s$ ^{-1}$ だが, 明らかに物理的意味が異なる. 熱と仕事は互いに変換でき, これはエネルギーという概念で統合される.

11s3022: 
なぜ実在気体は, 高温・低圧の状態では, 理想気体に近いふるまいを行なえるのでしょうか? M: 実在気体と理想気体の違いは何か? その違いの影響を小さくするには, どうすれば良いか?

11s3031: 
実際に完全な独立系を作ることは可能ですか. M: ``独立系'' とは, 何か? // 20131022 の 13s3005 参照

11s3032: 
宇宙全体のエネルギーの量は変化しないということですが, 宇宙は無限に広がっていていまもなお広がり続けているそうです. 広がり続けることとエネルギーの量は関係ないのですか? M: 本当に無限の広さか? // 広がり続けることとエネルギーの量は, どう関係するのか?

10s3008: 
気体を封入したシリンダーに x 方向のみでなく, 他方向から同時に別々の圧力を加えた場合, 気体のされる仕事は一定なのですか? M: ``一定'' とは, どういうことか? // 内部エネルギー等の状態量は, 経路に依存しない. すなわち同時でも別時でも, 結果は同じ.

10s3017: 
熱力学第一法則で永久機関は存在しないとわかったが, 近づけることはできると思う. どれほど近づけば効率がいいといえるか. M: 13s3008 参照 // ``効率がいい'' とは, どういうことか? 12s3026 参照

10s3028: 
波動関数を用いて, 分子の構造はどこまで表わせるか. M: (*) 原理的には, 波動関数が全ての情報を持っている.


Ryo MIYAMOTO, 2013-11-19