熱力学第二法則 わかりやすく
第 1 法則はエネルギーを合わせるだけで、過程がどちらへ行くかは言わず、第 2 法則がその空きを埋めます。熱はひとりでに熱いところから冷たいところへ流れ、どの機関も熱を全部仕事に変えられず、実際の過程は一方向にだけ進みます。合った帳簿の上に方向が一つ加わります。
左のブロックの温度をドラッグすると、熱はいつも熱い側から冷たい側へ流れ、ひとりでに逆へ行くことはありません。だから熱いコーヒーはいつも室温へ冷えていくだけで、ひとりでに部屋の暖かさを吸い込んで再び熱くなることは決して起きません。下り坂だけで、上り坂はひとりでには生まれません。
ケルビン・プランクの叙述は、どの機関も吸熱を全部仕事に変えられないということです。必ず熱を捨てねばならないので効率は η < 1 です。だから海には莫大な熱エネルギーが蓄えられていても、船が海水を冷やしてその熱だけで自ら進むことは不可能で、熱源が一つの機関は第 2 法則が阻むからです。不可能な完全機関と実際の機関を切り替えると差が見えます。
クラウジウスの叙述は、熱が自ら冷たい場所から熱い場所へ行けないということです。冷蔵庫はやり遂げますが、ただ仕事を費やしてです。ヒートポンプは同じ原理で少しの電気の仕事を費やし、冷たい外気から熱を集めて家の中へ運び、費やした仕事より多くの熱を部屋へ送るので電気ストーブより効率がよいです。禁じられた流れと実際の冷蔵庫を切り替えるとその対比がはっきりします。
気体を空の半分へ放すと箱を満たして広がりますが、ひとりでに再び片側へ集まることは決してありません。ドラッグして広がる様子を見ると、実際の過程に時間の方向があることが現れます。実は第 1 法則は気体が再び集まるのを阻まず、分子一つひとつの衝突は時間をひっくり返しても成り立ちます。しかし広がった配列が圧倒的に多くの場合の数を持つので、戻り集まりはただ確率的に起きないだけです。
同じ法則が三つの顔を使います。熱は下り坂へ流れ、機関は熱をいくらか捨て、冷蔵庫は熱を引き上げるのに仕事が要り、三つを切り替えると一つの根だと分かります。次の章ではこの限界をカルノー循環で正確に定め、その次の章で名前を付けます。エントロピーです。三つの顔はどれも世界全体のエントロピーが減るのを禁じる同じ法則で、エントロピーがまさにその三つを一度に測る一つの帳簿です。