熱力学の第1法則とは？高校生のポイント〜エネルギーのやりとりを支配する自然のルール〜

熱力学の第1法則とは？

「エネルギーは形を変えるだけで、決して消えない」
──この考えを、熱の世界で表したのが 熱力学の第1法則 です。

もう少し正確に言うと、
「内部エネルギーの変化量は、外から加えた熱量と外へした仕事の差で決まる」
という法則です。

式で表すとこうなります👇 ΔU=Q−W

ここで、

• ΔU：内部エネルギーの変化量
• Q：外から加えられた熱量
• W：系（気体など）が外にした仕事

つまり、

「熱をもらえばエネルギーが増える」
「仕事をすればエネルギーが減る」
という、とてもシンプルな法則です。

生活の中の「熱力学の第1法則」

この法則は、私たちの身の回りのあらゆる現象に関わっています。

• ☕ お湯が冷める
  　お湯は熱を外に出すことで内部エネルギーが減ります。
  　→ 放熱して「Q」がマイナスになる。
• 🚗 車のエンジン
  　ガソリンの燃焼で熱を得て（Qがプラス）、その一部をピストンを動かす「仕事（W）」に変えています。
  　→ 余ったエネルギーは排気ガスや摩擦で失われる。
• 🧊 冷蔵庫
  　電気エネルギーを使って、内部の熱を外に追い出す。
  　→ 熱の流れを逆転させる仕組みも、熱力学の法則に従っています。

どんな機械も、どんな自然現象も、この法則の中で動いているのです。

熱の世界にも「エネルギー保存」

エネルギー保存の法則を、熱を含めて拡張したのが熱力学の第1法則です。
つまり、力学の「運動エネルギー保存」とまったく同じ考え方。

ただ、熱の場合はエネルギーの出入りが「目に見えにくい」ため、
気体の膨張や圧縮を使って実験的に確かめます。

高校物理での例題

たとえば、ピストンの中の気体を加熱するとどうなるか？

• 熱量 Q=200 J を加えた
• 外にした仕事 W=120 J

このとき、内部エネルギーの変化量は？
ΔU=Q−W=200−120=80 J

つまり、気体の温度が上がったのは「80 J分」だけ。
残りの120 Jは外への仕事として使われた、ということです。

大学入試のポイント！

熱力学の第1法則は、物理・化学の両方で重要テーマです。
特に出題されやすいのは次のような内容👇

• 等温変化・断熱変化での「Q, W, ΔU」の関係
• エネルギーの符号（吸熱＝プラス、放熱＝マイナス）の整理
• 気体のグラフ（P–V線図）を使った仕事量の計算
• 化学分野では「反応熱」や「エネルギー保存」と関連

符号の取り違えや単位（J, cal）の変換でミスする受験生が多いので要注意です。

みんなの声 🔥

🔹「“熱もエネルギーの一種”と分かった瞬間、物理がつながった！」（高2男子）
🔹「冷蔵庫やエンジンまでこの法則で説明できるのがすごい」（高3女子）
🔹「ΔU = Q − W の符号で何回も間違えたけど、意味を考えると納得できた」（卒業生）

まとめ

ポイント	内容
現象名	熱力学の第1法則
式	ΔU = Q − W
意味	内部エネルギーの変化 ＝ 加えた熱 − 外へした仕事
生活での例	エンジン・冷蔵庫・お湯の冷却
入試の注意点	符号の整理と仕事・熱の関係を正しく理解する

あとがき

熱力学の第1法則は、「自然界はエネルギーをムダにしない」という究極のルールです。
この法則を理解すると、車も冷蔵庫も宇宙の星も、
すべて同じ「エネルギーの流れ」に支配されていることが見えてきます。

物理がぐっと深く感じられる瞬間ですね。