熱力学の基本法則
熱力学の第一法則は、エネルギー保存のバランスに「熱」を導入するため、科学教室の外でも広く知られています。単純化したバージョンでは、熱と体で行われる仕事の合計は、体の総エネルギーの変化に対応すると言えます.
一方、熱力学の第 2 法則は、この法則のいくつかの異なるバージョンが教科書に記載されているため、混乱を招くことがあります。これらのバージョンの 1 つは、定量的で厳密に定式化されていますが、非常に抽象的でもあり、孤立したシステムのエントロピーは一定であるか、時間とともに増加しますが、減少することはありません.
この法則の他の定式化には、「熱は熱いものから冷たいものにしか流れない」ということわざなど、解釈の余地が残されている可能性があります。この記述が完全に間違っているという事実は明らかです。通常のキッチン用冷蔵庫では、電源コンセントに接続されたコンプレッサーが冷蔵庫で動作するため、熱は常に冷たいものから熱いものへと流れています。したがって、上記のステートメントを次のように再定式化することができます。このような介入は、熱を冷たいものから熱いものへと強制的に流す働きをし、最終的には常に外部エネルギー源を必要とします.
熱回路と電気回路の類似
熱力学と電気の授業を受けた学生は、一見すると第二法則とは無関係に見える別の興味深い事実を知っているかもしれません。接続された 2 つの物体の温度が等しくなるとすぐに発生する熱流と、電気回路内の電流は、同じ数学的形式で記述できます。熱電流の電気的類似物は電流であり、熱は電荷に対応し、温度は電圧に対応します。特定の単純な電気部品でさえ、熱的に対応するものがあります。電気コンデンサーは熱容量に相当し、電気伝導率（または電気抵抗）は熱伝導率（または熱抵抗）にそれぞれ対応します。この観点からすると、2 つの物体間の温度の平衡は、電気コンデンサーの放電に似ています。
電気回路で広く使用されているもう 1 つのコンポーネントは、電気インダクタです。これは通常、コイルに巻かれたワイヤで構成され、誘導性の値を高めるために磁化可能な材料 (鉄など) で満たされることもあります。それを電気コンデンサに接続すると、時間とともに電荷、電流、および電圧が振動し、対応する量の符号が周期的に変化する閉回路が形成されます。この振動の周波数は、基本的に静電容量とインダクタンスの値によって決まります。
「熱インダクタ」は存在しますか?
しかし、その名前に値する最新の電気インダクタの熱的類似物は報告されていません。文献でなされたそのような「熱インダクタ」を構築するためのすべての提案は、物質の流れまたは時間依存の過渡プロセスを含む非平衡プロセスに基づいていたため、検討中の物体は明確に定義された熱力学的変数を持っていませんでした。 「熱インダクタ」の存在は、熱力学の第二法則に違反するとしばしば主張されてきました。実際、そのような「熱インダクタ」と熱容量からなる熱振動回路は、2つの物体間の温度差がその符号を永久に変える振動熱流を作り出すことを可能にします。その結果、熱は一時的に冷たい物体から暖かい物体に流れ、冷たい物体はさらに冷やされます。
「熱インダクタ」を使用した振動熱電流
「熱インダクタ」のように動作するデバイスの発明には、最高の技術と最先端の最先端の材料が必要になると予想されるかもしれません。 2011 年には、熱容量を最高の精度で測定することを目的として、熱発振器の実験を行っていました。これを行うには、市販のペルチェ素子を電気インダクタ (コイル) と直列に切り替えて、測定する熱容量に熱的に接続するだけです。ペルチェ素子は、現在の冷却技術で広く使用されています。電流を熱流に、逆に温度差を電圧に変換することができます。結果として得られたデバイスは、熱容量と「熱インダクタ」を備えた熱発振回路とまったく同じように動作しました。この実験は、電気損失を補償し、安定した共振振動を長期間維持するために接続された外部エネルギー源と電子機器を備えた「アクティブ」回路として操作されました。これにより、共振周波数を正確に測定し、最終的に熱容量の値を計算することが可能になりました。
当時、使用されていた電気部品では、外部電源の駆動回路を切り離すと、システムが自然にリラックスできるようになった後にのみ、過減衰動作が可能になりました。対応する熱方程式と電気方程式を再考することにより (皮肉なことに、これは工学部の最初の学期の学生が簡単に再現できる課題です)、温度と熱の変化に対する振動解も可能であることに気付きました。外部駆動源がないこと。言い換えると、2 つの物体間に初期温度差を作成し、それらを外部エネルギー源から切り離し、続いてサーマル インダクタを介して熱交換できるようにすると、熱が低温から低温に流れる時間を長時間確認できるはずです。温度差がサインを変えるたびに熱く、特に外部からの外部介入なしで。
実験
簡単に聞こえるかもしれませんが、効率の良い市販のペルチェ素子を見つけるのにいくらかの努力が必要でした (これはかなり簡単でした) だけでなく、電気損失のない電気インダクター、つまり超伝導コイルを目的の仕様で見つけることも必要でした。次に、オブジェクト (9 グラムの銅) を摂氏 104 度に加熱し、ペルチェ素子の片側に接続しました。周囲温度 (摂氏約 22 度) に保持された熱浴が、その要素の反対側に配置されました。しばらくすると、銅の温度がサーマルバスの温度よりも大幅に低下しました。数学の用語では、振動する温度差は、最初にゼロを通過した後に符号が変わりました。
ここで言及すべき重要なポイントは、熱が他の形式のエネルギーに変換されることなく、これらのプロセスで冷たいものから熱いものへと直接流れていたという事実です。コイルに蓄えられた磁気エネルギーはごくわずかであることが判明したため、熱は冷たいものから熱いものへと直接流れたに違いありません。周囲温度との最大温度差は、約 2 度という残念なほど小さな値にしか達しませんでしたが、これは主に、以下で説明するように、使用されている市販のペルチェ素子の性能が限られていることが原因でした。
熱力学第二法則の意義と関係
確かに、私たちの研究は、この段階では主に原理の証明研究にすぎません。それにもかかわらず、実験は熱の流れに対する私たちの通常の認識にある程度挑戦しています。これは、一部の教科書の熱力学の第2法則の特定の短縮版によって誤った方向に導かれた可能性があります.クラウジウスの元のバージョンでは、冷たいものから熱いものへの熱の流れは、「同時に発生する、それに関連する他の変化」に関連しているに違いないと述べています。この「その他の変化」は、外部からの介入を意味する場合もあれば、私たちの場合のように、熱接続の不可欠な部分である使用済みの電気インダクタが、「熱インダクタ」内を流れる振動電流のためにその状態を永続的に変化させていることを意味する場合もあります。 」回路。
もちろん、これらの実験を行う前から、熱力学の第 2 法則が破られないことはわかっていました。これを厳密な方法で証明するために、システム全体のエントロピーの変化を考慮し、時間とともに本当に厳密に単調に増加することを示しました。いくつかのより深い検討により、このような周囲温度以下の冷却プロセスが原理的にどこまで到達するかを予測することさえできました。ペルチェ素子の熱力学的効率が最大であると仮定すると (この基準は、特に第 2 法則の別のバージョンから採用されています)、同じ実験条件下で摂氏 47 度に達する可能性があると結論付けました。
熱電デバイスと超伝導体の将来の技術的進歩により、大量の高温の固体、液体、または気体の材料は、原則として、外部エネルギー源や可動部品なしで室温よりもはるかに低く冷却でき、受動熱回路を使用できます。
