今回は 気体の内部エネルギー について解説していきましょう。

気体の内部エネルギーとは、ずばり 分子が持っている運動エネルギーの合計 のことです。エネルギーなので、単位は[ J ]で、 記号U を使って表します。

単原子分子1個 の質量をm、速さをvとすると、その運動エネルギーKは、
K=(1/2)mv²
で表せますね。

気体の内部エネルギーは、分子1個の運動エネルギーに気体分子の個数をかければ求めることができます。気体分子1[mol]であれば、アボガドロ数Nを用いて、
(1/2)Nmv² (vは平均値)
と内部エネルギーが表されます。

高校の物理で学習するのは、あくまで 単原子分子 の内部エネルギーになります。単原子分子とは 原子1個からできている分子 で、例えばHe、Ne、Arがそうです。

一方、多原子分子は 原子2個以上からできている分子 です。例えば、酸素O₂などですね。多原子分子の内部エネルギーは、単純な式で求めることができません。下の図を見てください。

多原子分子の場合、分子運動はまっすぐ進むだけでなく、 重心の周りの回転 が加わります。つまり多原子分子の運動エネルギーは、まっすぐ進むエネルギー1/2mv²に 回転のエネルギーを足したもの になるのです。回転のエネルギーは高校物理の範囲を超えてしまうので、扱うことができないのです。