日が経つにつれ、浜辺の砂の城はゆっくりと崩れ落ちます。 しかし、その逆、つまり砂が自然に城の形に飛び込むのを目撃した人は、現実ではなく、録音を見ているに違いないと言うでしょう。 同様に、時間の経過とともに角氷が溶けるアイスティーのグラスは私たちの期待に一致しますが、角氷が自然に形成される液体のグラスではありません。
いくつかの自然なプロセスが時間的に前向きに起こるのに意味があるように見えるが、時間的に後ろ向きに起こるのではない理由は、熱力学の第二法則と関係があります。 この重要な法則は、私たちが前進することしかできない特定の方向を持っている時間に依存する宇宙の唯一の物理的な記述です。
対照的に、ニュートンの法則または運動学方程式は、どちらもオブジェクトの動きを記述するために使用され、機能します 物理学者がサッカーの弧を前進させるとき、または前進するときに分析することを決定したかどうかも同様にうまくいきます。 逆行する。 これが、熱力学の第二法則が「時間の矢」と呼ばれることもある理由です。
ミクロ状態とマクロ状態
統計力学は、運動などの微視的スケールの振る舞いに関連する物理学の一分野です。 密閉された部屋の空気分子、部屋全体などのその後の巨視的観察 温度。 言い換えれば、人間が直接観察できることを、一緒にそれを実現する無数の目に見えない自発的なプロセスに結び付けることです。
ミクロ状態は、閉じた熱力学系におけるすべての分子の1つの可能な配置とエネルギー分布です。 たとえば、ミクロ状態は、ホットチョコレートの魔法瓶内の各糖と水分子の位置と運動エネルギーを表すことができます。
一方、マクロ状態は、システムのすべての可能なミクロ状態のセットです。魔法瓶内の糖と水分子を配置できるすべての可能な方法です。 物理学者がマクロ状態を説明する方法は、温度、圧力、体積などの変数を使用することです。
これが必要なのは、特定のマクロ状態で可能なミクロ状態の数が多すぎて処理できないためです。 摂氏30度の部屋は有用な測定値ですが、摂氏30度であることを知っていても、部屋の各空気分子の特定の特性は明らかになりません。
マクロ状態は一般的に熱力学について話すときに使用されますが、ミクロ状態を理解する それらはそれらをより大きくすることにつながる根本的な物理的メカニズムを説明しているので、 測定。
エントロピーとは何ですか？
エントロピーは、システム内の無秩序の量の尺度として言葉で説明されることがよくあります。 この定義は、1877年にルートヴィッヒボルツマンによって最初に提案されました。
熱力学の観点から、それはより具体的には、有用な仕事をするために利用できない閉鎖系の熱エネルギーの量として定義することができます。
有用なエネルギーから熱エネルギーへの変換は不可逆的なプロセスです。 このため、宇宙全体を含む閉鎖系のエントロピーの総量は、増加する.
この概念は、エントロピーが時間の流れの方向にどのように関係しているかを説明しています。 物理学者が、エントロピーの量に関するデータを使用して、閉鎖系のスナップショットをいくつか撮ることができた場合 それぞれにおいて、彼らは「時間の矢」に従ってそれらを時間順に並べることができました–少ないものから多いものへ エントロピ。
数学的にはるかに技術的になるために、システムのエントロピーは次の式で定義されます。これはボルツマンも思いついたものです。
S = k \ ln {Y}
どこYシステム内のマイクロステートの数（システムを注文できる方法の数）、kはボルツマン定数です（理想気体定数をアボガドロ定数で割って求めます：1.380649×10−23 J / K）とln自然対数（底辺の対数）ですe).
この公式からの主なポイントは、ミクロ状態の数、またはシステムの順序付けの方法が増えると、そのエントロピーも増えることを示すことです。
あるマクロ状態から別のマクロ状態に移動するときのシステムのエントロピーの変化は、マクロ状態変数の熱と時間の観点から説明できます。
\ Delta S = \ int \ dfrac {dQ} {T}
どこT温度とQは、システムが2つの状態間を移動するときの可逆プロセスでの熱伝達です。
熱力学の第二法則
熱力学の第二法則は、宇宙または孤立系の総エントロピーが決して減少しないことを示しています。 熱力学では、孤立したシステムとは、熱も物質もシステムの境界に出入りできないシステムです。
言い換えれば、孤立したシステム（宇宙を含む）では、エントロピーの変化は常にゼロまたは正です。 これが本質的に意味することは、ランダムな熱力学的プロセスは秩序よりも多くの無秩序につながる傾向があるということです。
重要な重点は傾向がありますその説明の一部。 ランダムプロセスたぶん...だろう自然法則に違反することなく、無秩序よりも秩序をもたらす。 発生する可能性は非常に低くなります。
たとえば、ランダムにシャッフルされたカードのデッキが最終的になる可能性のあるすべてのマイクロステートのうち、8.066×1067 –これらのオプションの1つだけが、元のパッケージの順序と同じです。 それたぶん...だろう起こりますが、オッズは非常に小さいです。 全体として、すべてが自然に無秩序になりがちです。
熱力学の第二法則の重要性
エントロピーは、システムの無秩序またはランダム性の尺度と考えることができます。 熱力学の第二法則は、それが常に同じか増加するが、決して減少しないと述べています。 説明は非常にまれなインスタンスに依存しないため、これは統計力学の直接的な結果です。 カードのデッキが完全な順序でシャッフルされますが、システムの全体的な傾向は無秩序に増加します。
この概念についての単純化された考え方の1つは、2セットのオブジェクトを混合解除することは、最初にそれらを混合するよりも多くの時間と労力を要することを考慮することです。 幼児の親に確認を依頼します。 それをきれいにするよりも大きな混乱を作る方が簡単です！
現実の世界での他の多くの観察は、熱力学の第二法則に従っているため、ある方法で起こっていることには「意味があります」が、別の方法ではありません。
- 熱は、高温の物体から低温の物体に流れますが、その逆はありません。 周り（角氷が溶けて、テーブルに残されたホットコーヒーが部屋に合うまで徐々に冷える 温度）。
- 放棄された建物はゆっくりと崩れ、自分自身を再建しません。
- 摩擦によって運動エネルギーが使用できない熱エネルギーに変換されるため、遊び場に沿って転がるボールは遅くなり、最終的には停止します。
熱力学の第二法則は、時間の矢の概念を正式に説明するもう1つの方法です。時間の経過とともに進むと、宇宙のエントロピー変化は負になることはありません。
非分離システムはどうですか？
秩序がこれまでになく増加しているのなら、なぜ世界中を見回すと秩序だった状況の多くの例が明らかになるように見えるのでしょうか？
エントロピー中概して常に増加している、ローカル減少します大規模なシステムのポケット内でエントロピーが発生する可能性があります。 たとえば、人体は非常に組織化された秩序だったシステムであり、乱雑なスープを絶妙な骨やその他の複雑な構造に変えることさえあります。 しかし、それを行うために、体は周囲と相互作用するときにエネルギーを取り込み、老廃物を生成します。 したがって、これらすべてを行っている人は、食事/体の部分の構築/老廃物の排出サイクルの終わりに、体内のエントロピーが少なくなる可能性がありますが、システムの総エントロピー–体とその周りのすべて–それでも増加します.
同様に、やる気のある子供は部屋を掃除できるかもしれませんが、彼らはエネルギーを熱に変換しました プロセス（自分の汗と、動かされている物体間の摩擦によって発生する熱を考えてください） 周り）。 彼らはおそらくまた、混沌としたゴミをたくさん捨て、その過程で破片を壊した可能性があります。 繰り返しになりますが、その部屋が最終的にスパイスとスパンになったとしても、エントロピーは郵便番号全体で増加します。
宇宙の熱的死
大規模に、熱力学の第二法則は最終的なものを予測します熱的死宇宙の。 燃えるような苦しみの中で死にゆく宇宙と混同しないように、このフレーズは、最終的にはすべて有用であるという考えをより正確に指します 不可逆的なプロセスはほぼ常にどこでも起こっているので、エネルギーは熱エネルギー、または熱に変換されます。 さらに、他に何も起こらないので、このすべての熱は最終的に安定した温度または熱平衡に達します。
宇宙の熱的死についての一般的な誤解は、それが宇宙にエネルギーが残っていない時を表すということです。 これはそうではありません！ むしろ、それはすべての有用なエネルギーがすべてに達した熱エネルギーに変換された時を説明します 半分の温水と半分の冷水で満たされたプールのように、同じ温度で、すべての外に残されます 午後。
熱力学の他の法則
2番目の法則は、熱力学の入門で最もホットな（または少なくとも最も強調されている）かもしれませんが、名前が示すように、それだけではありません。 他のものはサイトの他の記事でより詳細に議論されていますが、ここにそれらの簡単な概要があります：
熱力学の第0法則。熱力学の他の法則の基礎となるため、このように名付けられました。第0法則は、基本的に温度を表します。 2つのシステムがそれぞれ3番目のシステムと熱平衡にある場合、それらは必然的に互いに熱平衡にある必要があると述べています。 つまり、3つのシステムすべてが同じ温度である必要があります。 ジェームズクラークマクスウェルは、この法律の主な結果を「すべての熱は同じ種類である」と説明しました。
熱力学の最初の法則。この法則は、エネルギー保存を熱力学に適用します。 これは、システムの内部エネルギーの変化が、システムに追加された熱とシステムによって実行された仕事との差に等しいことを示しています。
\ Delta U = Q-W
どこUエネルギーです、Q熱であり、W仕事であり、通常はすべてジュールで測定されます（ただし、Btusまたはカロリーで測定されることもあります）。
熱力学の第三法則。この法律は定義します絶対零度エントロピーの観点から。 完全結晶は、その温度が絶対零度、つまり0ケルビンのときにエントロピーがゼロであると述べています。 結晶は完全に配置されている必要があります。そうしないと、構造に固有の無秩序（エントロピー）が発生します。 この温度では、結晶内の分子は動きません（これは熱エネルギーまたはエントロピーとも見なされます）。
宇宙が熱平衡の最終状態、つまり熱的死に達すると、宇宙は温度に達することに注意してください。より高い絶対零度より。
