(https://www.dnc.ac.jp/albums/abm.php?d=771&f=abm00005964.pdf&n=2025_op_39_butsuri.pdf)

 

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仕事は$W=Fx$、$F=PS$だから、$W=Fx=(PS)x=P(Sx)=PV$

 

(積分が理解できるなら、より正しくは、)

仕事は$W=∫Fdx$、$F=PS$だから、$W=∫Fdx=∫(PS)dx=∫P(Sdx)=∫Pdv$

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ってことで、要は

$p-V$グラフの面積が仕事$W$

なんですな。(教科書知識)

 

 

よって、

気体が外部にした仕事は、「過程Ⅱ」の方が大きい。

気体が膨張→外部への仕事

 

 

また、気体の内部エネルギーは常に、

$U=nC_vRT$だから、

 

内部エネルギーの変化は、

$ΔU=nC_vRΔT$であるため、

内部エネルギー変化は温度だけで決まる。

(教科書知識)

 

 

過程Ⅰも過程Ⅱも、

始点(状態C)と終点(状態A)が同じだから、

最初の温度と、終点の温度も同じ。

 

よって、内部エネルギーの変化も同じ。

 

 

→答え⑧

 

 

 

(以下、Gemini3の解答)

 

この問題は、P-Vグラフ(圧力と体積のグラフ)を用いて、内部エネルギーの変化 ($\Delta U$)気体がした仕事 ($W$)吸熱量 ($Q$) の大小関係を比較するものです。


解説

1. 内部エネルギーの変化 ($\Delta U$) の比較

  • 内部エネルギー $U$ は、気体の状態(温度)だけで決まる状態量です。

  • 過程Ⅰ(C→B→A)も過程Ⅱ(C→A)も、始点(状態C)と終点(状態A)が同じです。

  • 始点と終点が同じであれば、途中の経路に関係なく、内部エネルギーの変化量は等しくなります。

     

    $$\Delta U_{\text{I}} = \Delta U_{\text{II}}$$

2. 気体がした仕事 ($W$) の比較

  • P-Vグラフにおいて、気体が外部にした仕事 $W$ は、グラフの線と横軸(体積軸)で囲まれた部分の面積に相当します。

  • 過程Ⅰ(C→B→A):

    C→B(圧力 $p$ で体積が増加)の直線の下側の面積(長方形)が仕事になります。B→Aは体積が変わらないので仕事は0です。

  • 過程Ⅱ(C→Aの曲線):

    図2を見ると、過程Ⅱの曲線は、過程Ⅰの経路(C→B)よりも上側を通って膨張しています。

  • 比較:

    グラフが上にあるほど、囲む面積(=仕事)は大きくなります。したがって、過程Ⅱの方が面積が大きいため、仕事も大きくなります。

     

    $$W_{\text{I}} < W_{\text{II}}$$

     

    (あるいは $W_{\text{II}} > W_{\text{I}}$)

3. 熱量 ($Q$) の比較(空欄 [イ])

  • 熱力学第一法則の式は $Q = \Delta U + W$ です。

  • ここで、

    • $\Delta U$ は同じ($\Delta U_{\text{I}} = \Delta U_{\text{II}}$

    • $W$ は過程Ⅱの方が大きい($W_{\text{I}} < W_{\text{II}}$

  • そのため、足し合わせた熱量 $Q$ も、仕事が大きい過程Ⅱの方が大きくなります。

     

    $$Q_{\text{I}} < Q_{\text{II}}$$

結論

  • [ア]: $\Delta U_{\text{I}} = \Delta U_{\text{II}}$ かつ $W_{\text{I}} < W_{\text{II}}$

  • [イ]: 過程Ⅱ

この条件を満たす選択肢は です。

正解: ⑧