【物理たとえ話18】単原子分子理想気体

月曜日は、毎週、物理のたとえ話を紹介します。


■　単原子分子理想気体
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気体の分野を勉強すると、

「単原子分子理想気体」

というものが頻繁に登場します。

これは、一体、何者でしょうか？

気体が持っている全エネルギー（これを内部エネルギーといいます）というものを考えてみましょう。

まず、多くの気体は、２原子分子です。

酸素はO２、窒素はN２、という感じですね。

とりあえず、簡単のために、
２つの原子がバネでつながっているようなものをイメージして下さい。

〇vvvv〇

　　　　　　　　　〇vvvv〇

〇vvvv〇

こんな感じです。

気体をイメージできましたか？

気体分子同士は、
分子間力
という力で、お互いに引き合っています。

このうちの1つの気体が持っているエネルギーを考えてみます。　　　　　

（１つの分子のエネルギー）＝（２つの分子の運動エネルギー）＋（弾性エネルギー）
　　　　　　　　　　　　　＋（分子間力の位置エネルギー）

かなり、複雑ですね。

これを、分子の数だけ足し合わせたものが、
内部エネルギー
です。

特に、（分子間力の位置エネルギー）のところが複雑な形
をしていて、とても足し合わせる気持ちになりません。

そんなときには、問題設定を変更します。

足し合わせたくなるような場合を考えて、その場合について計算するのです。

そこで、まず、
「単原子分子」
ということにします。

〇　　　　　
　　　　　　　〇

〇

これが、単原子分子です。ばねがなくなったので、大分簡単になりました。

次に、
「理想気体」
ということにします。

理想気体というのは、

（１）分子の体積がゼロ

（２）分子間力がゼロ

（３）状態方程式に厳密に従う

というものです。

理想気体を考えれば、（２）分子間力がゼロ　なので、分子間力の位置エネルギーも無視できます。

というわけで、単原子分子理想気体であれば、１つの分子が持つエネルギーは、

（１つの分子のエネルギー）＝（分子の運動エネルギー）

ということになり、これなら、足し合わせてみようかな？という気持ちになります。

物理っていつも、「計算できるのはこういう場合」という場合を考えて、
その場合について計算するというやり方をします。

そのまわりにある、「計算できない現実の存在」をちゃんと考えていないと、
自然を間違って認識してしまいますので、要注意ですね。


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