熱力学は、エネルギーと熱の研究です。 熱力学の法則 物質とエネルギーの関係と、それらが温度とエントロピーにどのように関係しているかを説明します。多くの文献には熱力学の 3 つの法則が記載されていますが、実際には 4 つの法則があります (ただし、第 4 法則はゼロ次法則と呼ばれます)。
以下は、熱力学の法則のリストと、各法則の意味の簡単な要約です。
熱力学のゼロ法則
熱力学のゼロ次法則 温度の概念を確立します:
2 つのシステムが 3 番目のシステムと熱平衡状態にある場合、それらは互いに熱平衡状態にある必要があります。
例: 車が家と同じ温度で、車がオフィスと同じ温度である場合、自宅とオフィスは互いに同じ温度です。
熱力学第一法則
熱力学の第一法則 エネルギー保存の法則としても知られています . システムのエネルギーは形を変える可能性がありますが、作成も破壊もされません .この法則を説明する 1 つの方法は、「無料で何かを手に入れることはできない」です。
第 1 法則のもう 1 つの言い方は、システムの内部エネルギー (ΔE) は、その境界を横切る熱流 (q) とシステムで行われた仕事 (W) の合計であるということです。
ΔE =q + W
例 :ブランコに乗る子供のエネルギーは、運動エネルギーと位置エネルギーの組み合わせです。システムの総エネルギーは、子供がスイングの弧の上部 (最小運動エネルギー、最大位置エネルギー)、弧の下部 (最大運動エネルギー、最小位置エネルギー)、またはその間のどこにいても同じです。
熱力学第二法則
熱力学第二法則 熱平衡状態にない系のエントロピーが増加 .エントロピーは、熱力学系のランダム性または無秩序の尺度です。エントロピーが増加すると、有用な仕事に利用できるエネルギーが少なくなります。最初の法則がタダで何かを手に入れることはできないと述べている場合、2 番目の法則は「…そして損益分岐点にならない」という意味であると考えることができます。
例: ぜんまいで駆動する時計は、位置エネルギーが運動エネルギーに変換されるときに巻き上げられます。その後、時計を巻き上げてシステムに新しいエネルギーを追加するまで、時計は再び動きません。
例: 時間が経つにつれて、寝室はますます散らかってしまいます。エネルギーを使って物を拾うだけできれいになります。
熱力学の第 2 法則は、システム内の熱の流れの方向も示します。熱エネルギーは高エネルギーから低エネルギーへのみ流れます。
熱力学第三法則
第 3 法則は、温度が絶対零度に近づくにつれて系のエントロピーが一定値に近づくと述べています。 .絶対零度は、理論的に可能な最低温度 (0K またはゼロケルビン) です。
絶対零度における系のエントロピーは ほぼ ゼロですが、正確にゼロである必要はありません。エントロピーは、システムが持つ基底状態の数によって異なります。純粋な結晶物質は完全な秩序を達成します。最小基底状態が 1 つあり、絶対零度ではエントロピーがゼロです。ただし、ほとんどの物質はエントロピーが完全にゼロになることはありません。
永久機関は不可能
熱力学の法則が示唆することの 1 つは、永久機関は不可能だということです。エネルギーはある形態から別の形態に変化する可能性がありますが、エントロピーが増加し、使用可能なエネルギーが少し失われます。機械は、最終的に枯渇するエネルギー源によって駆動されます。人々が永久機関に到達できる最も近い方法は、思われる初期電源を使用することです。 初期エネルギー入力として、太陽光発電などのエンドレス。
参考文献
- アトキンス、ピーター (2007)。 宇宙を動かす 4 つの法則 . OUP オックスフォード。 ISBN 978-0199232369.
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- Kittel, C.; Kroemer、H. (1980)。 熱物理学 (第 2 版)。サンフランシスコ:W.H.フリーマン。 ISBN 0-7167-1088-9.
- ウェント、リチャード P. (1974)。 「電解質溶液の簡易輸送理論」。 Journal of Chemical Education .アメリカ化学会 (ACS)。 51 (10):646. doi:10.1021/ed051p646
