熱と仕事：気体の圧縮と内部エネルギーの変化

物理基礎の「熱と仕事」に関する問題では、気体の圧縮や膨張に伴うエネルギーの変化が重要です。今回の質問では、気体を圧縮するために必要な仕事の量と内部エネルギーの変化についての理解が求められています。

1. 仕事と内部エネルギーの関係

気体を圧縮する場合、外部から加えられる仕事は気体の内部エネルギーに変換されます。圧縮するためにはエネルギーが必要で、そのエネルギーは仕事として気体に加わり、気体の内部エネルギーが増加します。圧縮における仕事の量は正の値であり、仕事を加えることにより気体のエネルギーが増加します。

問題では「圧縮する仕事が-30J」と記載されています。これは、仕事の符号が負であることを意味しています。圧縮作業が外部から気体に対して行われるため、気体の内部エネルギーは増加します。従って、内部エネルギーの変化は+30Jになります。

問題文では「外部との熱のやり取りを0とした」とあります。これは、熱が外部に出入りしない状況、すなわち断熱的な圧縮を意味します。この場合、熱のやり取りはなく、加えられた仕事がそのまま内部エネルギーの変化に直結します。したがって、内部エネルギーの増加分は加えられた仕事の分、すなわち+30Jです。

気体を圧縮する際に加わる仕事は、気体の内部エネルギーを増加させます。今回の問題では、圧縮のために必要な30Jの仕事が内部エネルギーとして変換され、内部エネルギーの変化は+30Jとなります。圧縮作業が負の仕事であることを理解し、仕事とエネルギーの関係を把握することが重要です。