熱力学第一法則（エネルギー保存の法則）とは：定義と仕組みをわかりやすく
熱力学第一法則（エネルギー保存の法則）を図解と例でわかりやすく解説：定義・仕組み・日常でのエネルギー変換を初心者向けにスッキリ理解。
熱力学の最初の法則は、一般に「エネルギーは創造も破壊もできないが、形を変えることはできる」と表現されます。この法則は「エネルギー保存の原則」の基礎であり、身の回りのあらゆる現象でエネルギーが一形態から別の形態へと移ることを示しています。たとえば、運動をするときには食物中の化学エネルギーが運動エネルギーや熱に変わります。古典的なエネルギーの例としては、熱、光、運動（動き）、位置エネルギーなどがあります。
現代物理学では、特に特殊相対性理論の枠組みで「質量はエネルギーの一形態」であることが示され、E = mc² により質量とエネルギーの等価性が明らかにされています。したがって「エネルギー」は多様な形をとり得ますが、その総和は保存されます。
この法則は「閉じた系（外部と物質の出入りがない系）における総エネルギーは一定である」ことを意味します。ただし、エネルギーは系のある部分から別の部分へ移動したり、系と外界との間で熱や仕事として出入りしたりします。
熱力学第一法則を実用的に表す最もよく知られた式は次の通りです。
基本式（閉じた系・内部エネルギー）
ΔU = Q − W
- ΔU：系の内部エネルギーの変化量
- Q：系に流入した熱量（系に入る熱を正とする）
- W：系が外部に行った仕事（系がした仕事を正とする）
符号の取り方は教科書や分野によって異なり、仕事を「系に加えられた仕事」を正とする場合は式が ΔU = Q + W の形になります。扱う問題に応じて符号規約を確認してください。
仕事（W）と体積仕事
気体の膨張・圧縮に伴う体積仕事は、準静的過程（ほぼ平衡状態を通る可逆過程）の場合、次のように表されます。
W = ∫ p_ext dV
ここで p_ext は外部圧力、dV は体積変化です。可逆過程では p_ext = p（系内圧力）となり、積分で仕事量を計算できます。
具体例
- 定容過程（体積不変）：W = 0 なので ΔU = Q。加熱すると内部エネルギー（温度）が上がる。
- 等温可逆膨張（理想気体）：温度一定 → ΔU = 0 なので Q = W。外に仕事をしながら吸熱する。
- 断熱過程（Q = 0）：ΔU = −W。系が仕事をすると内部エネルギーが減り、温度が下がる。
- 周期過程：系の状態が元に戻るので ΔU = 0、したがって正味の吸熱量 Q_net = W_net（熱機関の効率評価に使う）。
開いた系（物質の移動がある場合）とエンタルピー
流体が流入・流出するような開いた系では、物質が持ち込む内部エネルギーや流体に対する仕事（流れ仕事）を考慮する必要があります。定圧プロセスで仕事の扱いを簡単にするために導入される状態量がエンタルピーです：
H = U + pV
定圧下での熱交換はエンタルピー変化で表すことが多く、化学反応や配管を流れる流体の熱収支で便利です。
ミクロな視点
内部エネルギー U は系を構成する粒子の運動エネルギー（並進・回転・振動）や、粒子間相互作用による位置エネルギー、化学結合エネルギーなどの総和として理解できます。統計力学は多数粒子系で内部エネルギーや熱の起源をミクロに説明します。
第一法則の意味と限界
- 第一法則は「エネルギーは保存される」ことを保証します。したがって、永久機関（外部からエネルギーを受け取らずに仕事を永続的に供給する装置）を作ることは第一法則に反します（いわゆる永久機関第一種は不可能）。
- ただし、第一法則はプロセスの方向（自発性）や効率の上限を示すものではありません。どの向きに変化が起きるか、またどれだけ有効に仕事を取り出せるかを決めるのは第二法則など他の原理です。
- 相対論的枠組みでは質量エネルギーの寄与（E = mc²）も含めた形でエネルギー保存が成り立ちます。
日常での例
- やかんで水を沸かす：コンロから供給された化学エネルギー（燃料）が熱になり水の内部エネルギーを上げ、蒸気の仕事や周囲への熱放出に変わる。
- 自動車エンジン：燃料の化学エネルギーが燃焼で熱と内部エネルギーに変わり、ピストンを動かす仕事（機械エネルギー）と排熱に分配される。
- 人体：食べ物の化学エネルギーが運動エネルギーや体温（熱）に変換される。
単位と測定
エネルギーや熱量の国際単位はジュール（J）です。実用的にはカロリー（cal）やキロワット時（kWh）もよく使われます。仕事と熱はエネルギーの移動形態であり、直接同じ単位で扱われます。
まとめると、熱力学第一法則はエネルギーの保存を定式化したものであり、内部エネルギー、熱、仕事のやり取りを計算する基本的枠組みを与えます。これによりエンジンの仕事量や温度変化、化学反応でのエネルギー収支など、多くの実用的問題を解析できますが、変化の向きや利用可能な仕事の最大値を知るには第二法則などを併せて考える必要があります。
沿革
ジェームズ・プレスコット・ジュールは、熱と仕事が変換可能であることを実験によって初めて発見した人物である。
熱力学の第一法則を最初に明示したのは、1850年にルドルフ・クラウジウスが発表したものです。"エネルギー "と呼ばれる状態関数Eがあり、その微分値は断熱過程で周囲と交換される仕事に等しい"
熱力学と工学
熱力学や工学では、系を周囲に仕事をする熱機関と考え、加熱によって付加されるエネルギーの総量は、内部エネルギーの増加分と系が行った仕事の合計に等しいと述べるのが自然である。したがって、δWは、系が周囲に対して行った仕事によって系が失ったエネルギーの量である。
エンジンが仕事をしている熱力学的サイクルの部分では、δWは正の値をとるが、作動ガスが圧縮されているときなど、δWが負の値をとる部分が必ずある。δWがシステムの行う仕事を表すとき、第一法則は次のように書かれる。
d U = δ Q - δ W {\\\\\\\\U＝δQ-δW\\｝ 
エネルギーが正の数であるか負の数であるかは、人によって意見が異なる。そこで、δQ
は系外への熱の流出、δWは系内への仕事の流入を表している。
d U = - δ Q + δ W {\\\ δ WU=-δQ+δW\\｝ 
このような曖昧さがあるため、第一法則に関する議論では、使用されている符号の規則を明確に定めることが非常に重要です。
dU＝内部エネルギーの変化
Q = 熱
W = ワーク
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質問と回答
Q:熱力学の第一法則とは何ですか?
A: 熱力学の第一法則は、エネルギーは創造も破壊もできず、ある形態から別の形態にのみ変化することができるというものです。
Q: エネルギー保存の原則とは何ですか?
A: エネルギー保存の原則とは、エネルギーを使用するものはすべて、ある種類のエネルギーから別の種類のエネルギーに変化しているということです。
Q: 永久機関は存在し得るのでしょうか?
A:いいえ、永久機関は存在しません。なぜなら、エネルギーは創造も破壊もできないという物理学の基本法則を破ることになるからです。
Q: 古典力学におけるエネルギーの形にはどのようなものがありますか?
A: 古典力学におけるエネルギーの例としては、熱、光、運動エネルギー、位置エネルギーが挙げられます。
Q: 現代物理学では、エネルギーは何種類あるのでしょうか?
A:現代物理学では、エネルギーは質量と運動エネルギーの2種類しかないと考えられていますが、より複雑な物理学に精通していない方には参考にならないかもしれません。
Q: 宇宙の総エネルギーは一定なのでしょうか?
A: はい、宇宙（または任意の閉じた系）の総エネルギーは一定です。しかし、エネルギーは宇宙のある部分から別の部分に移動することができます。
Q: 熱力学の第一法則の中で、科学者が最もよく使う表現は何ですか?
A: 熱力学の第一法則の最も一般的な表現は、エネルギーは創造も破壊もできず、ある形態から別の形態への移動または変換のみが可能であるというものです。
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