圧縮時も膨張時も Pex を使って w を計算するんですか?

公式だと

  \displaystyle w = -\int P_{\rm ex}\ {\rm d}V  

となっているんですが、圧縮時も膨張時も 外の圧力 Pex を使って 仕事 w を計算するんですか?

圧縮時と膨張時ではピストンを押し込む方向が変わるので、膨張時は 系の圧力 P を使うべきだと思います。

このへん、納得しづらいところだと思います。

答えは、「仕事 w は、圧縮時も膨張時も 外の圧力 Pex を使って計算してください。」となります。

授業でも説明したように、仕事 w によって系の内部エネルギー U が変わるのは、ピストンに加えられる力によって、ピストン壁面に分子が衝突する際に 分子の速度( ≅ 運動エネルギー)が変化することによります。

そのため、「系の体積が変わるとき」に、「ピストンに実際に加えられる力」がエネルギー変化に影響します。

圧縮時のPV図

圧縮の時を例とすると、初期状態(i) と 終状態(f) では、系の圧力と外の圧力はつりあっています。

  P = P_{\rm ex}  

i から f に至る、変化の過程では、PPex はつりあっている必要がなく、Pex は(おおむね)自由な値をとることができます。

一方で、系の圧力 P は状態方程式で値が決まってしまいます。理想気体なら

  \displaystyle P = \frac{nRT}{V}  

ですね。「圧縮」するには、外から中の向きの力が働かなくてはならないので、Pex は自由な値をとれるとは言ったものの、

  P \leqq P_{\rm ex}  

という条件を満たさねばなりません。 1)このような変数の動きを制限する条件を、「束縛条件」(そくばくじょうけん)といいます。

このように考えてくると、「ピストンに実際に加えられる力」は Pex で決まり、系の圧力 P はただの束縛条件であることがわかります。

膨張時も同様です。
圧縮時は「(外部から)系に仕事をする」のに対し、膨張時は「系が(外部に)仕事をする」ので混乱しますが、
系がどれくらい外部に仕事をするかは、圧縮時と同様に、「体積が変化するとき」に「ピストンに実際に加えられた力」に対応する圧力、 Pex で決まります。 2)一緒にしてしまっていますが、正確には 力 F と 圧力 P は使い分ける必要があります。表面積を A、距離を h として、 F = PA, dV = A dh, ΔU = −F dh, ΔU = −P dV です。

系の圧力 P は 束縛条件

  P \geqq P_{\rm ex}  

としてのみ関係します。

膨張時の PV 図

というわけで、仕事 w は 圧縮時、膨張時とも、「ピストンに実際に加えられた力」に対応する、外の圧力 Pex を使って計算します。

脚注

1 このような変数の動きを制限する条件を、「束縛条件」(そくばくじょうけん)といいます。
2 一緒にしてしまっていますが、正確には 力 F と 圧力 P は使い分ける必要があります。表面積を A、距離を h として、 F = PA, dV = A dh, ΔU = −F dh, ΔU = −P dV です。