熱量とはある物質から外部へ放出した（または外部から取込んだ）熱エネルギーのことです。
エンタルピーはある物質が持っているエネルギー（熱＋圧力Energy）です。
ある物質のエンタルピーが変化すると、その分だけ外部と熱や動力を出し入れします。
（これが熱力学の第1法則です。エネルギー保存の法則とも言います）
例えば、水１kgの温度が１℃下がるのは、4.186kJの熱量で冷却されたからです。
（4.186は水の比熱と言い、単位はkJ/(kg･K)です。昔の単位で1 kcal/kg℃）
熱力学第１法則は、系の内部エネルギー変化を含めた、一般化されたエネルギー保存則です。
ある系とその周囲との間には、次の2つの形態のエネルギー伝達があります。
1) 系になされる仕事
仕事の大きさを W と書き、系が周囲に仕事をするとき W を正とし、系に仕事をされるとき負とします。仕事は、圧縮したり膨張させるなど巨視的なレベルでエネルギーを伝達します。
2) 系への熱の流れ
伝達される熱量を Q と書き、系が熱を吸収するとき Q を正とし、熱を失うとき負とします。熱の流れは、微視的な分子運動を通じてエネルギーを伝えます。
系が熱量 Q を吸収し、外部に仕事 W をするとき、Q - W を系の内部エネルギー変化と呼びます。熱を吸収し、外部に仕事をする以前の内部エネルギーの初期状態を Ui と書き、最終状態を Uf と書けば、内部エネルギーの変化 DU = Uf － Ui は次の式で書くことができます。
DU = Uf － Ui = Q - W (1)
方程式(1)は熱力学の第１法則として知られています。
系の内部エネルギーとは、系を構成する分子の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの総和です。微視的レベルでのエネルギー伝達である熱と、巨視的なエネルギー伝達である仕事とによって、系に内部エネルギーの変化が起きます。従って、微視的なスケールでは、熱と仕事との間には実質的な違いは無いことがわかります。
内部エネルギー変化 DU は、系の初期状態から最終状態への変化の経路には依存しません。このような量を状態量と呼びます。
これに対して、系がある状態にあるとき、Q や W はその状態に固有ではありません。変化の経路が決まれば、これらの量を測定することができます。Q や W は経路に依存しますが、Q - W は経路とは独立なのです。
3.2 孤立系の内部エネルギー
周囲となんの相互作用をしない系を孤立系と呼びます。孤立系には熱の伝達もなく、また仕事をされることもないので、内部エネルギー変化はDU = 0 です。すなわち、孤立系の内部エネルギーは一定です。
3.3 サイクル
初期状態と最終状態が同じ状態である過程を循環過程もしくはサイクルと呼びます。サイクルでは DU = Uf － Ui = 0、従って Q = W が成り立ちます。系が吸収した熱量の分だけ外界に仕事をするということです。吸収した熱をもとに力学的な仕事をする装置を熱機関と呼びます。サイクルは熱機関を熱力学的に記述する上で重要な役割を果たします。
3.4 断熱過程
系に熱の出入りが無い過程、すなわち Q = 0 である過程を断熱過程と呼びます。熱力学第１法則により次の関係が成り立ちます。
DU = - W (2)
断熱過程は、系を断熱材のようなものを用いて熱的に絶縁したり、系を急速に圧縮・膨張させることによって起きます。
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