熱力学は、ポテンシャル、運動、光、力学など、熱とエネルギーの関係を研究するものです。
一般に、熱力学の次の法則を研究します:
- 熱力学のゼロ法則
- 熱力学の第一法則
- 熱力学第二法則
- 熱力学第三法則
ここでは、熱力学の第 2 法則を例を挙げて詳しく理解します。
第 2 法則の状態
「自発的な自然のプロセスは全体的にエントロピーを増加させます。」
これは次のように理解できます。
「熱は、高温領域から低温領域へのみ自発的に伝導できます。」
不可逆性の例は、伝導による熱の移動です。温度の異なる 2 つの物体の場合、熱は常に高温の物体から低温の物体に流れることが知られています。
熱力学第二法則のエントロピー ステートメント
「すべての自発的なプロセスにおいて、宇宙のエントロピーは増加します。」
ケルビン プランクの声明
「単一の熱源で動作し、そのすべての熱を完全に仕事に変換できる (サイクルで動作する) デバイスを構築することは不可能です。」
クラウジウスの声明
「熱自体は、冷たい体から熱い体に流れることはできません。」
説明:
第二法則は、
エントロピー S として知られる便利な状態変数が存在します。
閉鎖系のエントロピーの変化 ( ΔS ) は、熱伝達 ( ΔQ ) を温度 T で割った値に等しくなります。
Δ S =Δ Q / T
与えられた物理的プロセスについて、そのプロセスを逆にすることができる場合、宇宙の総エントロピー、つまりシステムと周囲は一定のままです。
システムの初期状態と最終状態をそれぞれ「i」と「f」で表すと、次のようになります。
Sf =Si（可逆過程）
第 2 法則は、物理プロセスが不可逆的である場合、システムと環境を合わせたエントロピーを増加させるべきであると述べています。
不可逆プロセスの場合、最終エントロピーは初期エントロピーより高くなければなりません。
Sf> Si (不可逆過程)
例:
熱いものと冷たいものを接触させると、両者は同じ平衡温度に達します。アイテムを分離した後、平衡温度が残り、自然に元の温度に戻ることはありません。これは元に戻せないプロセスです。
エントロピーに関する熱力学第二法則
「システムとその周囲の完全なエントロピーは、自発的なプロセスで増加します。」
熱力学的に次のように表すことができます
ギブスの自由エネルギーとプロセスの自発性:
または
ギブスの自由エネルギーに関する自発性の基準は、熱力学の第 2 法則によって定められたものと同じです:
システムとその周囲のプロセスの合計エントロピー変化は次のように書くことができます:
Δ S 合計 =Δ S システム + Δ S サラウンド .
第 2 法則により、自発的なプロセスの場合、
Δ S 合計> 0.
+ΔH が一定の温度 (T) および圧力でのプロセスまたは反応のエンタルピー増加である場合、周囲のエンタルピー減少は -ΔH になります。
T ∆ S 合計 =T ∆ S Sys – ∆ H.
-T ∆ S 合計 =-T ∆ S Sys + ∆ H.
-T ∆ S 合計 =∆ H -T ∆ S Sys
ギブス方程式による
ΔG=ΔH – TΔS
上記の 2 つの式により
ΔG=-T Δ S 合計
ΔS 合計が増加すると、ΔG が減少します。
自発的なプロセスの場合、Δ S 合計> 0
これは、熱力学の第二法則によるものです。
ΔG <0.
そのため、自発的なプロセスでは、ギブスの自由エネルギーが減少し (ΔG <0)、エントロピーが増加します (Δ S> 0)。
したがって、非自発的なプロセスの場合、ギブスの自由エネルギーは増加します (ΔG> 0)。
均衡にあるプロセスでは、ΔG =0 と解釈できます。
結論
- 自発的なプロセス ΔG <0.
- 非自発的なプロセス ΔG> 0.
- 平衡 ΔG =0 でのプロセス。
熱力学第二法則の例:
<オール>
上の画像では、水は常に下向きに流れ、自動的に上向きになることはありません。
上の画像では、水は常に下向きに流れ、自動的に上向きになることはありません。
- 熱いお茶は自然に冷たくなりますが、自動的に再び熱くなることはありません。
- バルーン自体からの空気漏れは、自発的なプロセスの一例です:
空気が単独で風船の中に入ることはありません。これは、熱力学第二法則のエントロピーステートメントに基づいて説明できます。
4. 2 つのガスが自然に自動的に混合するのは、自発的なプロセスの例です:
上の図から、ガスが自然に混合されることは明らかです。これは、熱力学の第 2 法則の例です。
- 自然に地面に落ちる石は、自発的なプロセスの一例です:
上記の石の落下プロセスは、それが自発的なプロセスであり、宇宙のエントロピーが増加することを示しています。
- 自然に溶ける氷は自然発生的なプロセスの一例です:
氷が溶ける上記のプロセスは、それが自発的なプロセスであり、宇宙のエントロピーが増加することを示しています。
- ガスがコンテナの全容積を占めています:
密閉容器にガスを入れると、ガスは容器の空間全体を占めます。
8.お部屋で線香を焚くと、お部屋全体に香りが広がります。これは自発的なプロセスであり、宇宙のエントロピーは増加します。
ケルビン・プランクの声明に基づく例
- 車やバイクのエンジンは熱力学第二法則の一例です:
私たちが知っているように、ケルビン・プランクの声明:
「単一の熱源で動作し、そのすべての熱を完全に仕事に変換できる (サイクル内に存在する) デバイスを作成することは不可能です。」
車やバイクのエンジンには、高温のリザーバー (熱が生成される場所) と低温のリザーバー (熱が放出される場所) があります。
したがって、ケルビン・プランクの声明によると、エンジンが機能するには、少なくとも 2 つの熱貯蔵庫 (1 つは高温、もう 1 つは低温) が必要です。
クラウジウスの発言に基づく例
クラウジウスの声明によると:
「熱自体は、冷たい物体から熱い物体に流れることはできません。」
- 電気を利用して熱の流れの方向を変える冷蔵庫
冷蔵庫の中では、熱は低温（冷蔵庫の内側）から高温（冷蔵庫の外側）に移動します。この冷蔵庫に外部から電気エネルギーが供給されるため、熱の流れが可能です。この電気エネルギーは、冷蔵庫のコンプレッサーで機械的仕事を生み出すために使用されます。
