熱力学：定義、法則、方程式

多くの人にとって、熱力学は賢い人だけが理解できる恐ろしい物理学の一分野のように聞こえます。 しかし、いくつかの基礎知識と少しの作業があれば、誰でもこの分野の研究を理解することができます。

熱力学は、熱エネルギーの伝達による物理システムの進行を調査する物理学の一分野です。 サディ・カルノーからルドルフ・クラウジウス、ジェームズ・クラーク・マクスウェルからマックス・プランクまでの物理学者は全員、その開発に関与してきました。

「熱力学」という言葉はギリシャ語のルーツに由来します 魔法瓶、暑いまたは暖かいことを意味し、 dynamikos、強力な意味ですが、後でルートを解釈すると、アクションとモーションの意味がそれに起因します。 本質的に、熱力学は運動中の熱エネルギーの研究です。

熱力学は、熱エネルギーを生成して、機械的エネルギーなどのさまざまな形式のエネルギーに変換する方法を扱います。 また、物理システムの秩序と無秩序の概念、およびさまざまなプロセスのエネルギー効率についても説明します。

熱力学の深い研究も大きく依存しています 統計力学 運動論などを理解するために。 基本的な考え方は、熱力学的プロセスは、システム内のすべての小さな分子が何をしているかという観点から理解できるということです。

ただし、問題は、各分子の個々の作用を観察して説明することが不可能であるため、代わりに統計的手法が非常に正確に適用されることです。

熱力学に関連するいくつかの基礎的な研究は、早くも1600年代に開発されました。 ロバートボイルによって開発されたボイルの法則は、圧力と体積の関係を決定し、シャルルの法則とゲイリュサックの法則を組み合わせると、最終的に理想気体の法則になりました。

ランフォード伯爵（別名ベンジャミントンプソン卿）が熱をエネルギーの一形態として理解したのは1798年のことでした。 彼は、発生する熱がボーリングツールを回す際に行われる仕事に比例することを観察しました。

1800年代初頭、フランスの軍事エンジニアであるサディカルノーは 熱機関サイクルの概念、および熱力学における可逆性のアイデアの開発 処理する。 （一部のプロセスは、時間の前後と同様に機能します。 これらのプロセスは可逆と呼ばれます。 他の多くのプロセスは一方向でのみ機能します。）

カルノーの仕事は、蒸気機関の開発につながりました。

その後、ルドルフ・クラウジウスは熱力学の第1法則と第2法則を策定しました。これについては、この記事の後半で説明します。 熱力学の分野は、エンジニアが蒸気エンジンをより効率的にするために働いた1800年代に急速に進化しました。

熱力学的特性と量には次のものがあります。

• 熱、これは異なる温度でオブジェクト間で伝達されるエネルギーです。
• 温度、これは、物質内の分子あたりの平均運動エネルギーの尺度です。
• 内部エネルギー、これは、分子のシステムにおける分子の運動エネルギーと位置エネルギーの合計です。
• 圧力、これは、物質を収容するコンテナの単位面積あたりの力の尺度です。
• ボリューム 物質が占める3次元空間です。
• ミニ国家 個々の分子が存在する状態です。
• マクロ状態 分子のコレクションが存在するより大きな状態です。
• エントロピ 物質の障害の尺度です。 これは、ミクロ状態の観点から、または同等に、熱と温度の変化の観点から数学的に定義されます。

熱力学の研究では、さまざまな科学用語が使用されています。 独自の調査を簡素化するために、一般的に使用される用語の定義のリストを次に示します。

• 熱平衡または熱力学的平衡： 閉鎖系のすべての部分が同じ温度にある状態。
• 絶対零度ケルビン： ケルビンは温度のSI単位です。 このスケールの最小値はゼロ、または絶対零度です。 可能な限り低い温度です。
• 熱力学系： 熱エネルギーの相互作用と交換を含む閉鎖系。
• 分離システム： それ以外のものとエネルギーを交換できないシステム。
• 熱エネルギーまたは熱エネルギー： エネルギーにはさまざまな形があります。 それらの中には、システム内の分子の運動運動に関連するエネルギーである熱エネルギーがあります。
• ギブズの自由エネルギー： システム内の可逆仕事の最大量を決定するために使用される熱力学的ポテンシャル。
• 比熱容量： 物質の単位質量の温度を1度変化させるのに必要な熱エネルギーの量。 それは物質の種類に依存し、通常は表で調べられる数です。
• 理想気体: 標準の温度と圧力でほとんどのガスに適用されるガスの簡略化されたモデル。 ガス分子自体は、完全な弾性衝突で衝突すると想定されています。 また、分子は互いに非常に離れているため、点質量のように扱うことができると想定されています。

3つの主要なものがあります 熱力学の法則 （第一法則、第二法則、第三法則と呼ばれます）が、ゼロ法則もあります。 これらの法律は次のように説明されています。

ザ・ 熱力学の第0法則 おそらく最も直感的です。 物質Aが物質Bと熱平衡にあり、物質Bが熱平衡にある場合 物質Cと平衡状態にある場合、物質Aは次の物質と熱平衡状態にある必要があります。 物質C。

ザ・ 熱力学の第一法則 基本的にはエネルギー保存の法則のステートメントです。 システムの内部エネルギーの変化は、システムに伝達される熱エネルギーと、システムが周囲で行う仕事との差に等しいと述べています。

ザ・ 熱力学の第二法則、時間の矢を暗示する法則と呼ばれることもあります–閉鎖系の総エントロピーは、一定に保たれるか、時間が進むにつれて増加するだけであると述べています。 エントロピーは、システムの無秩序の尺度として大まかに考えることができ、この法則は考えることができます 大まかに言うと、「物事は、揺さぶるほど混ざり合う傾向があります。 混合を解きます。」

ザ・ 熱力学の第三法則 システムの温度が絶対零度に近づくと、システムのエントロピーは一定値に近づくと述べています。 絶対零度では分子運動がないため、その時点でエントロピーが変化しないことは理にかなっています。

熱力学は統計力学を利用しています。 これは、統計を古典物理学と量子物理学の両方に適用する物理学の一分野です。

統計力学により、科学者は微視的な量よりも巨視的な量をより簡単に扱うことができます。 たとえば、温度について考えてみましょう。 これは、物質内の分子あたりの平均運動エネルギーとして定義されます。

代わりに、各分子の実際の運動エネルギーを決定する必要があり、それ以上に、分子間の各衝突を追跡する必要がある場合はどうなりますか？ 前進することはほぼ不可能です。 代わりに、材料のより大きな特性として温度や熱容量などを理解できる統計手法が使用されます。

これらのプロパティは、マテリアル内で発生する平均的な動作を表します。 圧力やエントロピーなどの量についても同じことが言えます。

A 熱機関 は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する熱力学システムです。 蒸気機関は熱機関の一例です。 それらは、ピストンを動かすために高圧を使用することによって機能します。

熱機関はある種の完全なサイクルで作動します。 彼らは通常ヒートバスと呼ばれるある種の熱源を持っており、それは彼らが熱エネルギーを取り入れることを可能にします。 その熱エネルギーは、圧力の上昇やガスの膨張など、システム内で何らかの熱力学的変化を引き起こします。

ガスが膨張すると、それは環境に作用します。 これは、エンジン内でピストンを動かすように見える場合があります。 サイクルの最後に、冷浴を使用してシステムを開始点に戻します。

熱機関は熱エネルギーを取り込み、それを使用して有用な仕事をし、プロセス中に環境に熱エネルギーを放出または失います。 ザ・ 効率 熱機関の熱は、正味の入熱に対する有用な仕事の出力の比率として定義されます。

当然のことながら、科学者やエンジニアは、熱機関が可能な限り効率的であること、つまり最大量の熱エネルギー入力を有用な仕事に変換することを望んでいます。 熱機関が最も効率的であると思うかもしれませんが、100％効率的ですが、これは正しくありません。

実際、熱機関の最大効率には限界があります。 効率はタイプに依存するだけではありません プロセス サイクルの中で、可能な限り最高の場合でも プロセス （可逆的なもの）が使用され、熱機関が最も効率的である可能性があるのは、熱浴と冷浴の間の温度の相対的な違いに依存します。

この最大効率はカルノー効率と呼ばれ、 カルノーサイクル、完全にリバーシブルで構成された熱機関サイクルです プロセス.

熱力学の多くのアプリケーションがあります プロセス 日常生活で見られる。 冷蔵庫を例にとってみましょう。 冷蔵庫は熱力学的サイクルで作動します。

まず、コンプレッサーが冷媒蒸気を圧縮します。これにより、圧力が上昇し、冷蔵庫の背面外側にあるコイルに押し込まれます。 これらのコイルを感じると、触ると暖かく感じます。

周囲の空気がそれらを冷却させ、高温のガスが液体に戻ります。 この液体は、冷蔵庫内のコイルに流れ込むときに高圧で冷却され、熱を吸収して空気を冷却します。 十分に熱くなると、それは再びガスに蒸発し、コンプレッサーに戻り、サイクルが繰り返されます。

家を暖めたり冷やしたりできるヒートポンプも同様の原理で動作します。