熱力学の法則：定義、方程式、例

永久ポンプは、連続運動、そして多くの場合、結果として自由エネルギーを生成することを目的として、長年にわたって設計されてきた多くの永久運動機械の1つです。 設計は非常に単純です。水は、上げられたプラットフォームから、ギアに取り付けられた水車の上を流れ落ちます。 次に、水を表面から隆起したプラットフォームに引き上げるポンプを操作し、そこでプロセスを最初からやり直します。 再び。

このようなデザインについて最初に聞いたとき、それは可能であり、良いアイデアでさえあると思うかもしれません。 そして、当時の科学者たちは、熱力学の法則が発見され、永久運動へのすべての人の希望を一挙に打ち砕くまで、同意しました。

熱力学の法則は、物理学の最も重要な法則の一部です。 彼らは、エネルギーの重要な概念とともに、エネルギーがどのように伝達され保存されるかなど、エネルギーを説明することを目的としています。エントロピ永久運動のすべての希望を殺す部分であるシステムの。 物理学の学生である場合、または多くの熱力学を理解したいだけの場合 あなたの周りで起こっているプロセス、熱力学の4つの法則を学ぶことは重要なステップです あなたの旅。

熱力学は、研究する物理学の一分野です。熱エネルギーと内部エネルギー熱力学系で。 熱エネルギーは、熱伝達を通過するエネルギーであり、内部エネルギーは、システム内のすべての粒子の運動エネルギーと位置エネルギーの合計と考えることができます。

運動論をツールとして使用することにより、物質の運動を研究することによって物質の性質を説明します。 その構成粒子–物理学者は、重要な間の多くの重要な関係を導き出すことができました 量。 もちろん、数十億の原子の総エネルギーを計算することは、それらの効果的なランダム性を考慮すると非現実的です。 正確な動きなので、関係を導き出すために使用されるプロセスは、統計力学などを中心に構築されました アプローチ。

本質的に、仮定を単純化し、多数の分子にわたる「平均的な」振る舞いに焦点を当てることで、 科学者は、数十億の1つの無限の計算にとらわれることなく、システム全体を分析するためのツール 原子の。

熱力学の法則を理解するには、最も重要な用語のいくつかを確実に理解する必要があります。温度は、物質内の分子あたりの平均運動エネルギーの尺度です。つまり、分子が（液体または気体の中で）動き回ったり、（固体の中で）所定の位置で振動したりする量です。 温度のSI単位はケルビンです。ここで、0ケルビンは「絶対零度」として知られています。 （他のシステムのゼロ温度とは異なり）可能な限り低い温度で、すべての分子運動 停止します。

​内部エネルギーはシステム内の分子の総エネルギーであり、運動エネルギーと位置エネルギーの合計を意味します。 2つの物質間の温度差により、熱が流れることができます。熱エネルギーそれは一方から他方に移ります。熱力学的仕事熱機関（カルノーエンジンと呼ばれることもあります）のように、熱エネルギーを利用して行われる機械的な仕事です。

​エントロピ言葉で明確に定義するのは難しい概念ですが、数学的にはボルツマン定数として定義されています（k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹）システム内のミクロ状態の数の自然対数を掛けたもの。 言い換えれば、それはしばしば「障害」の尺度と呼ばれますが、より正確には、 システムの状態は、巨視的に見たときに他の多数の状態と区別できません。 レベル。

たとえば、もつれたヘッドホンワイヤーには、特定の可能な配置が多数ありますが、それらのほとんどは見た目だけです。 他のワイヤーと同じように「もつれ」ているため、ワイヤーが絡まることなくきちんと巻かれている状態よりもエントロピーが高くなります。

熱力学の第0法則は、第1法則、第2法則、および第3法則が最もよく知られており、 広く教えられていますが、熱力学の相互作用を理解することに関しても同様に重要です システム。 熱力学第零法則は、熱システムAが熱システムBと熱平衡にある場合、 システムBはシステムCと熱平衡状態にあり、システムAはシステムと平衡状態にある必要があります C。

これは、あるシステムが別のシステムと平衡状態にあることの意味を考えれば、簡単に覚えることができます。 熱と温度の観点から考える：熱がそのように流れてもたらすとき、2つのシステムは互いに平衡状態にあります それらを同じ温度にします。たとえば、沸騰したお湯を冷たい水差しに注いだ後、一定の暖かい温度になります。 水。

それらが平衡状態にあるとき（つまり、同じ温度にあるとき）、熱伝達が発生しないか、少量の熱流が他のシステムからの流れによってすぐに相殺されます。

これを考えると、この状況に3番目のシステムを導入すると、次の方向にシフトすることは理にかなっています。 2番目のシステムと平衡状態にあり、平衡状態にある場合は、最初のシステムとも平衡状態になります。 システムも。

熱力学の第1法則は、システムの内部エネルギーの変化（∆U）は、システムに伝達される熱に等しい（Q）システムによって行われた作業を差し引いたもの（W). シンボルでは、これは次のとおりです。

これは本質的にエネルギー保存の法則のステートメントです。 システムは、熱がシステムに伝達されるとエネルギーを獲得し、別のシステムで機能する場合はエネルギーを失います。逆の状況では、エネルギーの流れが逆になります。 熱はエネルギー伝達の一形態であり、仕事は機械的エネルギーの伝達であることを思い出すと、この法則が単にエネルギー保存の法則を言い換えていることは容易に理解できます。

熱力学の第二法則は、閉鎖系（つまり孤立系）の総エントロピーは決して減少しないが、増加するか、（理論的には）同じままであると述べています。

これは、孤立したシステムの「障害」が時間の経過とともに増加することを意味すると解釈されることがよくありますが、 上で説明したように、これは概念を厳密に正確に見る方法ではありませんが、広くは 正しい。 熱力学の第二法則は、本質的に、ランダムプロセスが厳密な数学的意味での「障害」につながると述べています。

熱力学の第二法則に関する誤解のもう1つの一般的な原因は、「閉じた」の意味です。 システム。" これは、外界から隔離されたシステムと考える必要がありますが、この隔離がなければ、 エントロピできる減少。 たとえば、散らかった寝室をそのままにしておくと、きれいになることはありませんが、できる誰かが入って作業した場合（つまり、それをきれいにする場合）、より低いエントロピーのより組織化された状態に切り替えます。

熱力学の第3法則は、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に近づくと述べています。 言い換えれば、第2法則は、システムのエントロピーが一定のままである可​​能性を残しますが、第3法則は、これがでのみ発生することを明確にしています。絶対零度​.

3番目の法則は、有限の操作回数でシステムの温度を絶対零度に下げることは不可能であることも意味します（また、そのように言われることもあります）。 言い換えれば、絶対零度に非常に近づき、システムのエントロピーの増加を最小限に抑えることは可能ですが、実際に絶対零度に到達することは本質的に不可能です。

システムが絶対零度に非常に近づくと、異常な動作が発生する可能性があります。 たとえば、絶対零度に近づくと、多くの材料が電流の流れに対するすべての抵抗を失い、超伝導と呼ばれる状態に移行します。 これは、電流に対する抵抗が、原子核の運動のランダム性によって作成されるためです。 導体内の原子–絶対零度に近く、ほとんど移動しないため、抵抗が最小限に抑えられます。

熱力学の法則とエネルギー保存の法則は、永久機関が不可能な理由を説明しています。 熱力学の第二法則に従って、選択した設計のプロセスで常に「無駄な」エネルギーが発生します。システムのエントロピーが増加します。

エネルギー保存の法則は、機械内のエネルギーはどこかから来なければならないことを示しています。 エントロピーの傾向は、マシンがエネルギーをある形式から別の形式に完全に伝達しない理由を示しています。

はじめに水車とポンプの例を使用すると、水車には可動部品（たとえば、車軸とその ホイールへの接続、およびエネルギーをポンプに伝達するギア）、これらは摩擦を生成し、次のようにエネルギーを失います 熱。

これは小さな問題のように思えるかもしれませんが、エネルギー出力が少し落ちても、ポンプはすべて隆起した表面に戻る水の量は、次の試みに利用できるエネルギーを減らします。 そして、次回は、さらに多くの無駄なエネルギーとポンプで汲み上げることができない水などがあります。 これに加えて、ポンプのメカニズムからのエネルギー損失もあります。

熱力学の第二法則について考えるとき、あなたは疑問に思うかもしれません：孤立したのエントロピーが システムが増加し、人間のような高度に「秩序化された」システムが でしょうか？ 私の体はどのようにして食物の形で無秩序な入力を受け取り、それを注意深く設計された細胞や器官に変換しますか？ これらの点は、熱力学の第二法則と矛盾しませんか？

これらの議論は両方とも同じ間違いを犯します：人間は「閉鎖系」（すなわち孤立系）ではありません 厳密な意味で、周囲と相互作用し、周囲からエネルギーを奪うことができるからです。 宇宙。

生命が最初に地球に出現したとき、物質はより高いエントロピーからより低いエントロピーの状態に変化しましたが、 太陽からシステムにエネルギーが入力され、このエネルギーによってシステムのエントロピーが低くなります。 時間。 熱力学では、「宇宙」は、宇宙宇宙全体ではなく、状態を取り巻く環境を意味すると解釈されることが多いことに注意してください。

細胞、臓器、さらには他の人間を作る過程で秩序を作り出す人体の例では、答えは 同じ：あなたは外部からエネルギーを取り入れます、そしてこれはあなたが熱力学第二法則に反するように見えるいくつかのことをすることを可能にします 熱力学。

他のエネルギー源から完全に遮断され、体に蓄えられたエネルギーをすべて使い果たした場合、 確かに、細胞を生成したり、あなたを維持するさまざまな活動を実行したりすることはできませんでした。 機能しています。 熱力学の第二法則に明らかに反抗しなければ、あなたは死ぬでしょう。