2009年センター試験 第4問 問7

こちらの16:00あたりから。

各状態の変化によって外部に対してした仕事が正か負かゼロかを問う問題です。

熱力学からは離れる感じですが、仕事は次の式で表現できますよね。

ただし、Fとxの向きがそろっていればWは正で、逆向きなら負になります。これはつまりFとxがベクトル量で、内積を計算しているということです。

まぁ、それはともかく、閉じ込められた気体は外側に対して圧力を加えています。したがって力は必ず外側に向きます。ということは、仕事の正負はピストンの動く方向が体積の増えるほうか減るほうかで決まるということになります。ということでグラフから体積が増えているか減っているか、あるいは変化しないかを読み取ればそれが答えと対応しています。

ちなみに、この宇宙もわずかに圧力を持ちながら膨張していますから、外部に向かって仕事をしていることになります。熱の供給がないことを考えれば断熱変化的に膨張しているわけですから、どんどん冷えているはずですね。（外部ってどこなんだよ！という疑問はひとまずおいといて）