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1.2.3 熱

仕事の作用がなくても系の周囲の温度が系と異なれば、系の温度と周囲の温度が変化し近づいていくことを我々は経験的に知っている。このとき、系の温度が変わっているので系の内部エネルギーも変化している。この温度差により伝わるエネルギーを熱と呼ぶ。 熱は温度差のある物体間で伝わる。図1.2のように温度 $T_\mathrm{h1}$ [℃またはK]の高温の物体と温度 $T_\mathrm{l1}$ [℃またはK]の低温の物体（ $T_\mathrm{h1} > T_\mathrm{l1}$ ）を接触させた際に、高温の物体から低温の物体に伝わるエネルギーが熱$Q$ [J]である。高温の物体の温度は低下し（図1.2では $T_\mathrm{h1}$ [℃またはK]から $T_\mathrm{h2}$ [℃またはK]、 $T_\mathrm{h1} > T_\mathrm{h2}$ ）、低温の物体の温度は上昇する（図1.2では $T_\mathrm{l1}$ [℃またはK]から $T_\mathrm{l2}$ [℃またはK]、 $T_\mathrm{l1} < T_\mathrm{l2}$ ）。熱は仕事と同様に物体から物体へ伝わるエネルギーの形態である。温度の異なる物体を十分に長い時間接触させると、二つの物体の温度は等しくなる。この状態を熱平衡状態と呼ぶ。

図 1.2: 内部エネルギー・熱平衡

仕事が作用しない場合に伝わった熱$Q$ [J] は内部エネルギー$U$ [J] となり次式で表される。

$$Q = \Delta U$$ (1.4)

伝わった熱は内部エネルギーに変換され仕事や位置エネルギー、運動エネルギーになることはない。ボールの例を挙げれば、ボールの周囲の温度が高くなりボールに熱が伝わった結果、ボールが突然動き出す（運動エネルギーや位置エネルギーが増加する）ことはありえない^1.5。ただし、熱を仕事に変換する機械は存在し熱機関と呼ばれ発電所などで用いられている。

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