物理学では、オブジェクトとシステムを研究して、その動き、温度、およびその他の物理的特性を測定します。単細胞生物から機械系、惑星、星、銀河、そしてそれらを支配するプロセスまで、あらゆるものに適用できます。物理学では、熱力学は、物理的または化学的反応中のシステムの特性におけるエネルギー (熱) の変化に集中する分野です。
システムの温度が一定に保たれる熱力学的プロセスである「等温プロセス」。システムへの、またはシステムからの熱の移動は非常にゆっくりと行われるため、熱平衡が維持されます。 「熱」とは、システムの熱を表す用語です。 "Iso" は "等しい" を意味するので、"isothermal" は "等しい熱" を意味し、これが熱平衡を定義します。
等温プロセス
一般に、等温過程では、温度が同じでも、内部エネルギー、熱エネルギー、および仕事に変化があります。システム内の何かが、その同じ温度を維持するために機能します。単純な理想的な例の 1 つはカルノー サイクルです。これは、ガスに熱を供給することによって熱機関がどのように機能するかを基本的に説明しています。その結果、ガスはシリンダー内で膨張し、ピストンを押して仕事をします。次に、次の熱/膨張サイクルが発生できるように、熱またはガスをシリンダーから押し出す (または排出する) 必要があります。これは、例えば自動車のエンジン内部で起こっていることです。このサイクルが完全に効率的である場合、圧力が変化しても温度が一定に保たれるため、プロセスは等温になります。
等温プロセスの基本を理解するために、システム内のガスの作用を考えてみましょう。 理想気体の内部エネルギー は温度のみに依存するため、理想気体の等温過程中の内部エネルギーの変化も 0 です。このような系では、(気体の) 系に加えられたすべての熱は、圧力は一定のままです。基本的に、理想気体を考えるとき、温度を維持するためにシステムで行われる作業は、システムの圧力が増加するにつれてガスの体積が減少する必要があることを意味します。
等温プロセスと物質の状態
等温プロセスは数多くあり、さまざまです。特定の沸点での水の沸騰と同様に、空気中への水の蒸発もその 1 つです。熱平衡を維持する多くの化学反応もあり、生物学では、細胞と周囲の細胞 (または他の物質) との相互作用は等温プロセスであると言われています。
蒸発、融解、沸騰も「相変化」です。つまり、一定の温度と圧力で起こる水 (または他の流体や気体) への変化です。
等温プロセスのチャート化
物理では、このような反応や過程を図表（グラフ）で表します。相図では、等温プロセスは、一定温度に沿った垂直線 (または 3D 相図の平面) をたどることによって表されます。システムの温度を維持するために、圧力と体積を変更できます。
それらが変化すると、温度が一定であっても、物質の状態が変化する可能性があります。したがって、水が沸騰するにつれて蒸発するということは、システムの圧力と体積が変化しても温度が同じままであることを意味します。これは、図に沿って一定に保たれたままの温度でグラフ化されます。
その意味
科学者がシステムの等温プロセスを研究するとき、彼らは実際には熱とエネルギー、およびそれらとシステムの温度を変化または維持するために必要な機械的エネルギーとの関係を調べています。このような理解は、生物が体温を調節する方法を生物学者が研究するのに役立ちます。また、工学、宇宙科学、惑星科学、地質学、およびその他の多くの科学分野にも影響を及ぼします。熱力学的パワー サイクル (したがって等温プロセス) は、熱機関の背後にある基本的な考え方です。人間はこれらのデバイスを使用して発電所に電力を供給し、前述のように、自動車、トラック、飛行機、その他の車両に電力を供給します。さらに、そのようなシステムはロケットや宇宙船にも存在します。エンジニアは、熱管理 (つまり、温度管理) の原則を適用して、これらのシステムとプロセスの効率を高めます。
Carolyn Collins Petersen によって編集および更新されました。
