熱と気体（知識）の問題
次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ガソリンエンジンや蒸気機関のような熱機関は、高温の物体から熱を受け取り、その一部を仕事に変え、残りの熱を低温の物体に放出しながら、同じ変化をくり返す。熱機関が受け取った熱のうち仕事に変えられた割合を熱効率といい、どのような熱機関でも、その値は 1 より（ a ）。
また、高温の物体と低温の物体を接触させると、熱は高温の物体から低温の物体へ移るが、外部から何のはたらきかけもなしに、低温の物体から高温の物体へ熱が移ることはない。このように、外部に何の変化も残さずにはもとの状態に戻ることができない変化を（ b ）という。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 大きい | 可逆変化 |
| イ | 大きい | 不可逆変化 |
| ウ | 小さい | 可逆変化 |
| エ | 小さい | 不可逆変化 |
この問題で使うもの
- 熱機関と熱効率（説明と入口の問題）
- 可逆変化・不可逆変化と熱力学第二法則（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（8 技能）
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
熱機関の熱効率の定義と、熱力学第二法則（熱の移動の向き、熱をすべて仕事に変えることはできないこと）を思い出そう。
ヒント 2
熱効率は（した仕事）÷（受け取った熱）で、熱機関は受け取った熱の一部を必ず低温の物体に捨てる。また、外部に変化を残さずにもとに戻れる変化を可逆変化という。
ヒント 3
a については、した仕事が受け取った熱より小さいことから、アとイが除かれる。残りの 2 つは、b の変化がもとに戻れるかどうかで判断しよう。
答えと解説
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エ
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解説を読む
空欄 a: 熱機関が高温の物体から受け取る熱を 、低温の物体に放出する熱を 、外部にした仕事を とすると、熱効率 は
である。熱力学第二法則により、受け取った熱をすべて仕事に変える熱機関はつくれず、必ず の熱を低温の物体に放出する。したがって となり、熱効率は常に 1 より小さい。よって a は「小さい」。（1 より大きいとすると、受け取った熱より多くの仕事をすることになり、エネルギー保存則（熱力学第一法則）にも反する。）
空欄 b: 熱が高温の物体から低温の物体へ移る変化のように、外部に何の変化も残さずにはもとの状態に戻れない変化を不可逆変化という。これに対し、外部に変化を残さずにもとの状態に戻れる変化を可逆変化という。熱の移動、摩擦による発熱、気体の拡散など、自然に起こる現象はすべて不可逆変化である。よって b は「不可逆変化」。
以上より、a が「小さい」、b が「不可逆変化」の組み合わせであるエが正しい。
- ア・イ: a を「大きい」としている点が誤り。
- ウ: b を「可逆変化」としている点が誤り。可逆変化は外部に変化を残さずにもとに戻れる変化で、文中の説明と逆である。
別解
熱効率は で表される。低温側に放出する熱 を 0 にはできないので、熱効率は必ず 1 より小さい。よって a は「小さい」。
外部に何の変化も残さずにはもとの状態に戻れない変化は不可逆変化である（熱が高温から低温へ移る変化など）。よって b は「不可逆変化」。
選択肢の確認: ア（大きい・可逆変化）は a, b とも誤り。イ（大きい・不可逆変化）は a が誤り。ウ（小さい・可逆変化）は b が誤り。エ（小さい・不可逆変化）は正しい。
答えはエ。