熱と気体（知識）の問題

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、気体の温度を一定に保ったまま、ゆっくり膨張させた。気体が吸収した熱量を $Q$、気体が外部からされた仕事を $W$、気体の内部エネルギーの変化を $\Delta U$ とすると、熱力学第一法則 $\Delta U=Q+W$ が成り立つ。このときの気体の変化について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

• ア　気体の内部エネルギーは増加する。
• イ　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　気体は外部に仕事をするので、外部から熱を吸収しない。
• エ　気体が外部からされた仕事 $W$ は正である。

熱機関と熱効率、可逆変化・不可逆変化と熱力学第二法則について述べた文として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、ここでいう熱機関は、高温の物体から熱を受け取り、外部に仕事をし、低温の物体に熱を放出して、もとの状態にもどる過程（サイクル）をくり返すものとする。

• ア　熱機関が 1 サイクルの間に外部にした正味の仕事は、高温の物体から受け取った熱量と、低温の物体に放出した熱量との差に等しい。
• イ　摩擦や熱の漏れなどの損失をすべてなくした理想的な熱機関であれば、高温の物体から受け取った熱量をすべて仕事に変えることができ、熱効率は 1 になる。
• ウ　熱効率は、熱機関が 1 サイクルの間に高温の物体から受け取った熱量に対する、外部にした正味の仕事の割合である。
• エ　温度の異なる 2 つ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、その逆向きの熱の移動は、外部に何の変化も残さずにひとりでに起こることはない。
• オ　水にたらしたインクが水全体に広がる現象は、外部に何の変化も残さずにもとの状態にもどすことができないので、不可逆変化である。

同じ種類の鉄でできた、質量 $100\mathrm{g}$ の鉄球 A と質量 $200\mathrm{g}$ の鉄球 B がある。A と B の比熱・熱容量について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。ただし、比熱・熱容量は温度によらず一定とし、鉄球に与えた熱量はすべて鉄球の温度上昇に使われるものとする。

• ア　B の比熱は、A の比熱の 2 倍である。
• イ　B の熱容量は、A の熱容量の $\frac{1}{2}$ 倍である。
• ウ　A の比熱と B の比熱は等しい。
• エ　A と B に同じ熱量を与えると、B の温度上昇は A の温度上昇と等しい。

熱機関と熱力学第二法則、および可逆変化・不可逆変化について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　熱機関は、高温の物体から受け取った熱量をすべて仕事に変えることができるので、熱効率を 1 にすることができる。
• イ　熱力学第二法則は、熱と仕事を含めてエネルギー保存の法則を表したもので、気体が得た熱量は内部エネルギーの増加と気体が外部にした仕事の和に等しいことを示している。
• ウ　熱は高温の物体から低温の物体へ自然に移るが、低温の物体から高温の物体へ自然に移ることはない。
• エ　床の上をすべる物体が摩擦によって減速し、やがて止まる現象は、外部に何の変化も残さずにもとの状態に戻すことができるので可逆変化である。
• オ　熱機関の熱効率は、高温の物体から受け取った熱量に対する、低温の物体に放出した熱量の割合である。

$1.0\times 10^5\mathrm{Pa}$（1 気圧）のもとで、容器に入れた $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ の水を冷凍庫の中に置いた。やがて水が凍り始め、しばらくするとすべて氷になった。容器の中の水と氷はつねに全体が同じ温度になっているものとする。水が凍り始めてから、すべてが氷になるまでの間について述べた文として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

• ア　水と氷は、まわりから熱を吸収し、その温度は $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ のまま一定に保たれる。
• イ　水と氷は、まわりに熱を放出し、その温度は $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ のまま一定に保たれる。
• ウ　水と氷は、まわりに熱を放出し、その温度は下がり続ける。
• エ　水と氷は、まわりから熱を吸収し、その温度は上がり続ける。