熱力学第一法則
「孤立系のエネルギーの総量は変化しない」というエネルギー保存則です。これはどういうことでしょうか。この法則を理解するには2つのことを説明しなければなりません。
そもそも系とは何でしょうか。物理化学の世界では、直接考察の対象にするものを系といい、それ以外を外界といいます。
一方、エネルギーの世界では、体積、温度、圧力等を数値化して量として考察します。この体積、温度、圧力等を状態量と言います。
つまり、熱力学第一法則では、「他から影響されない系はのエネルギー(状態量)の総量は変化しない。」と言っています。
これを式で表すと
Q = U + W
Q：熱量、U：内部エネルギー、W：仕事
仕事とは「力」×「距離」で表されます。一方、内部エネルギーとは分子の運動エネルギーの総和です。
例としてぺちゃんこになったペットボトルにある水素をイメージしてください。このペットボトルを少し温めます。温められた水素は温度の上昇により動き始め、運動エネルギーが増加します。水素分子が動き始めるとぺちゃんこだったペットボトルが膨らみ始めます。(仕事をします)このペットボトルを含まらすことと水素分子が運動したエネルギーは全て熱ですといった内容です。
熱力学第二法則・エンタルピー・エンタルピー
「孤立系の総エントロピー（有用な仕事をするために利用できない単位温度あたりの熱エネルギー）は決して減少することはない」という法則です。
この法則は、熱は高温から低温へしか移動しないということです。
エンタルピーとは「内部エネルギーと、物質が定圧下で変化した場合に外部にあたえる仕事との和」を言います。
エントロピーとは「温度Tが一定の状態で熱量Qを受けたときの変化」を言います。このことからエントロピーは下記の式で定義されています。
ΔS：エントロピー変化[kJ/K]、Q：熱量[kJ]、T：温度[K]
n：物質量[mol]、λ：単位物質量当たりの熱量[kJ/mol]
定積変化、定圧変化、断熱変化
3-1．定積変化
密閉された瓶の中に、水素を入れます。この瓶を温めるとどうなるでしょうか。水素分子は激しく運動します。しかしながら、瓶はペットボトルと異なり、膨らんだりしないため、仕事W=0です。そのため、定積変化では、Q = Uとなります。
3-2．定圧変化
圧力を一定にして、変化させて場合、どうなるでしょうか。圧力は一定なだけで、圧力がないわけではありません。そのため、熱を与えた場合、内部エネルギーも増加し、仕事もします。つまり定圧変化では、Q = U + W
3-3．断熱変化
では、密閉されたぺちゃんこのペットボトルの中にある水素に熱を与えない状況ではどうでしょうか。ぺちゃんこのペットボトルがいきなり膨らみだした場合、熱は与えられていないわけですからQ＝０、内部エネルギ－が仕事ということになります。つまり、断熱変化では、0 = U + Wとなります。
カルノーサイクル
熱力学第二法則の通り、熱は高温から低温へ移動します。ある物体を冷凍機によって冷やす場合、冷凍機はある物体の熱によって、温められます。つまり、熱は行ったり来たりして、変化をしています。ある物質が最初の状態から状態変化によって熱の移動を経て、最初の状態に戻ることをサイクルと言います。カルノーサイクルは理想的な熱サイクルのことで、理論サイクルです。高温熱源と低温熱源を利用して、等温膨張、断熱膨張、等温圧縮、断熱圧縮の４つの過程を繰り返し、熱エネルギーを動力に変換します。等温変化は外部との熱のやり取りがある状態、断熱変化は外部との熱のやり取りがない状態での膨張、圧縮を表し、図で表すと下図のような形になります。
カルノーサイクルにおける熱効率
η：熱効率、W：仕事、Q2：高温側の熱量、Q1：低温側の熱量T2：高温側の温度、T1：低温側の温度
気液平衡
ラウールの法則とは「混合溶液の各成分の蒸気圧はそれぞれの純液体の蒸気圧と混合溶液中のモル分率の積で表される」という法則です。
上手のように成分αと成分βの混合溶液において、成分αの蒸気圧Pαは下記の式で表されます。
Pα*：成分αの純液体での蒸気圧、xi：モル分率
ヘンリーの法則とは、「揮発性の溶質を含む希薄溶液が気相と平衡にあるときには、気相内の溶質の分圧は溶液中の濃度に比例する」という法則です。希薄溶液に溶解した成分αの濃度と分圧の関係は下記の式で表されます。
Pα：成分αの分圧、KH：ヘンリー定数、cα：成分αの濃度
ヘンリー定数は、溶質、溶媒、温度が同じであれば、一定の値になります。
温度上昇に応じて物質の形状・面積・体積が膨張したり密度が変化することを熱膨張と言います。ある液体が温度TからΔTだけ上昇した際、体積VからΔVだけ増加したとすると体積増加の割合は温度ΔTに比例し、下記の式で表されます。
αv：体積膨張係数
上記から体積膨張係数について、下記の式で表されます。
一方で、液体を圧縮していくと、体積が小さくなり、減少します。温度一定の場合、圧力PからΔPだけ増やすと体積減少の割合は圧力に比例し、下記の式で表されます。
kT：圧縮率
上記から圧縮率について、下記の式で表されます。
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