熱と気体（知識）の問題

容積が一定の容器に、ヘリウム He とアルゴン Ar をまぜた気体が入っており、全体が同じ温度で熱平衡の状態にある。どちらの気体も単原子分子の理想気体とみなせるものとし、Ar の原子は He の原子より質量が大きい。この気体について、気体分子運動論の考え方から述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　He の原子は Ar の原子より軽いので、He の原子 1 個あたりの運動エネルギーの平均値は、Ar の原子 1 個あたりの運動エネルギーの平均値より大きい。
• イ　He の原子の速さの 2 乗の平均値の平方根（2 乗平均速度）は、Ar の原子の 2 乗平均速度より大きい。
• ウ　温度を一定に保ったまま容器の容積を半分にすると圧力が 2 倍になるのは、原子 1 個 1 個の速さが大きくなり、1 回の衝突で壁に与える力積が大きくなるからである。
• エ　容積を一定に保ったまま気体の絶対温度を 2 倍にすると、それぞれの原子の 2 乗平均速度は 2 倍になる。
• オ　温度を一定に保ったまま容器の容積を半分にすると、この気体の内部エネルギーは大きくなる。

地表付近の空気のかたまりが上昇気流によって上空へ持ち上げられると、まわりの気圧が低くなるので、空気のかたまりは膨張する。空気は熱を伝えにくく、この変化は速く起こるので、空気のかたまりとまわりとの熱のやりとりは無視できる。このとき、空気のかたまりは膨張することで外部に仕事をするが、熱を受け取らないので、熱力学第一法則により内部エネルギーが減少し、温度が下がる。この温度低下は、雲ができる原因の 1 つである。

このように、気体と外部との間で熱のやりとりがない状態で、気体の体積が増加する変化を何というか。漢字 4 文字で答えよ。

容器に閉じこめた一定量の単原子分子の理想気体について述べた次の文中の空欄 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。

「気体の圧力は、気体分子が　a　に衝突してはね返るときに及ぼす力によって生じる。また、分子 1 個あたりの運動エネルギーの平均値は絶対温度に比例するので、この気体の内部エネルギーは　b　だけで決まる。」

なめらかに動くピストンのついたシリンダーに一定量の理想気体を閉じこめ、さまざまな条件で状態をゆっくり変化させる。このときの熱・仕事・内部エネルギーについて述べた文として誤っているものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

• ア　圧力を一定に保って気体を加熱し膨張させると、気体が吸収した熱量は、気体の内部エネルギーの増加量と、気体が外部にした仕事の和に等しい。
• イ　温度を一定に保って気体を膨張させると、気体の内部エネルギーは変化せず、気体が吸収した熱量は、気体が外部にした仕事に等しい。
• ウ　ピストンを固定して体積を一定に保ったまま気体を冷却すると、気体は外部に仕事をしないので、放出した熱量の分だけ内部エネルギーが減少し、気体の温度は上がる。
• エ　外部との熱のやりとりがないようにして気体を膨張させると、気体が外部にした仕事の分だけ内部エネルギーが減少し、気体の温度は下がる。

コップの水に 1 滴のインクを落とすと、インクはしだいに水全体に広がるが、広がったインクがひとりでに 1 か所に集まって元の 1 滴に戻ることはない。また、床の上をすべる物体が摩擦によって止まるとき、物体の運動エネルギーは熱に変わるが、床や物体にたまったその熱がひとりでに物体の運動エネルギーに戻って物体が再び動き出すことはない。

このように、ひとりでには逆向きに進まず、外部に何の変化も残さずに元の状態に戻すことができない変化を何というか。漢字で答えよ。