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こんにちは、物理学科のしば (@akahire2014) です。 大学の熱力学の授業で熱力学第二法則を学んだり、アニメやテレビなどで熱力学第二法則という言葉を聞くことがあると思います。 でも熱力学は抽象的でイメージが湧きづらいのでなかなか理解できないですよね。 そんなあなたのために熱力学第二法則について画像を使って詳細に解説していきます。 これを読めば熱力学第二法則の何がすごいのか理解できるはず。 熱力学第二法則とは? なんで熱力学第二法則が考えらえたのか?
カルノーサイクルは理想的な準静的可逆機関ですが,現実の熱機関は不可逆機関です.可逆機関と不可逆機関の熱効率について,次のカルノーの定理が成立します. 定理3. 1(カルノーの定理1) "不可逆機関の熱効率は,同じ高熱源と低熱源との間に働く可逆機関の熱効率よりも小さくなります." 定理3. 2(カルノーの定理2) "可逆機関ではどんな作業物質のときでも,高熱源と低熱源の絶対温度が等しければ,その熱効率は全て等しくなります." それでは,熱力学第2法則を使ってカルノーの定理を証明します.そのために,下図のように高熱源と低熱源の間に,可逆機関である逆カルノーサイクル と不可逆機関 を稼働する状況を設定します. 熱力学の第一法則 公式. Figure3. 1: カルノーの定理 可逆機関 の熱効率を とし,低熱源からもらう熱を ,高熱源に放出する熱を ,外からされる仕事を, とします. ( )不可逆機関 の熱効率を とし,高熱源からもらう熱を ,低熱源に放出する熱を ,外にする仕事を, )熱機関を適当に設定すれば, とすることができるので,ここでは簡単のため,そのようにしておきます.このとき,高熱源には何の変化も起こりません.この系全体として,外にした仕事 は, となります.また,系全体として,低熱源に放出された熱 は, です.ここで, となりますが, は低熱源から吸収する熱を意味します. ならば,系全体で低熱源から の熱をもらい,高熱源は変化なしで外に仕事をすることになります.これは,明らかに熱力学第二法則のトムソンの原理に反します.したがって, でなければなりません.故に, なので, となります.この不等式の両辺を で,辺々割ると, となります.ここで, ですから,すなわち, となります.故に,定理3. 1が証明されました.次に,定理3. 2を証明します.上図の系で不可逆機関 を可逆的なカルノーサイクルに置き換えます.そして,逆カルノーサイクル を不可逆機関に取り換え,2つの熱機関の役割を入れ換えます.同様な議論により, が導出されます.元の状況と,2つの熱機関の役割を入れ換えた状況のいずれの場合についても,不可逆機関を可逆機関にすれば,2つの不等式が両立します.したがって, が成立します.(証明終.) カルノーの定理より,可逆機関の熱効率は,2つの熱源の温度だけで決定されることがわかります.温度 の高熱源から熱 を吸収し,温度 の低熱源に熱 を放出するとき,その間で働く可逆機関の熱効率 は, でした.これが2つの熱源の温度だけで決まるということは,ある関数 を用いて, という関係が成立することになります.ここで,第3の熱源を考え,その温度を)とします.
ここで,不可逆変化が入っているので,等号は成立せず,不等号のみ成立します.(全て可逆変化の場合には等号が成立します. )微小変化に対しては, となります.ここで,断熱変化の場合を考えると, は です.したがって,一般に,断熱変化 に対して, が成立します.微小変化に対しては, です.言い換えると, ということが言えます.これをエントロピー増大の法則といい,熱力学第二法則の3つ目の表現でした.なお,可逆断熱変化ではエントロピーは変化しません. 統計力学の立場では,エントロピーとは乱雑さを与えるものであり,それが増大するように不可逆変化が起こるのです. エントロピーについて,次の熱力学第三法則(ネルンスト-プランクの定理)が成立します. 法則3. 4(熱力学第三法則(ネルンスト-プランクの定理)) "化学的に一様で有限な密度をもつ物体のエントロピーは,温度が絶対零度に近づくにしたがい,圧力,密度,相によらず一定値に近づきます." この一定値をゼロにとり,エントロピーの絶対値を定めることができます. 熱力学の第一法則 エンタルピー. 熱力学の立場では,熱力学第三法則は,第0,第一,第二法則と同様に経験法則です.しかし,統計力学の立場では,第三法則は理論的に導かれる定理です. J Simplicity HOME > Report 熱力学 > Chapter3 熱力学第二法則(エントロピー法則) | << Back | Next >> |
熱力学第一法則 熱力学の第一法則は、熱移動に関して端的に エネルギーの保存則 を書いたもの ということです。 エネルギーの保存則を書いたものということに過ぎません。 そのエネルギー保存則を、 「熱量」 「気体(系)がもつ内部エネルギー」 「力学的な仕事量」 の3つに分解したものを等式にしたものが 熱力学第一法則 です。 熱力学第一法則: 熱量 = 内部エネルギー + 気体(系)がする仕事量 下記のように、 「加えた熱量」 によって、 「気体(系)が外に仕事」 を行い、余った分が 「内部のエネルギーに蓄えられる」 と解釈します。 それを式で表すと、 熱量 = 内部エネルギー + 気体(系)がする仕事量 ・・・(1) ということになります。 カマキリ また、別の見方だってできます。 熱力学第一法則: 内部エネルギー = 熱量 + 外部が(系に)する仕事 下記のように、 「外部から仕事」 を行うことで、 「内部のエネルギーに蓄えられ」 、残りの数え漏れを 「熱量」 と解釈することもできます 。 つまり・・・ 内部エネルギー = 熱量 + 外部が(系に)する仕事 ・・・(2) カマキリ (1)式と(2)式を見比べると、 気体(系)がする仕事量 = 外部が(系に)する仕事 このようでないといけないことになります。 本当にそうなのでしょうか?
参照:) 経済産業省 D X レポート 2中間取りまとめ 【関連記事】 SCM経験者のキャリアパスをご紹介します。 【DX成功事例集】業界別13選を分かりやすくご紹介! DX検定とは?資格取得に必要な勉強方法や概要について解説します DXとは?その定義からフリーランス向けDX案件についてご紹介します。 DXコンサルタントとは?その定義、プロジェクト例についてまとめて紹介します。 データ分析の副業案件をご紹介します。 サーバーエンジニアのフリーランス向け案件例をご紹介します。 PMが副業するメリット・デメリットや仕事を選ぶ際のポイントをご紹介します。 【2021年1月最新版】AWS案件の単価や案件動向を徹底解説! デジタルトランスフォーメーションとは 簡単に. WEBマーケティング案件の種類や単価相場をわかりやすくご紹介します! 【2020年12月最新版】フリーランスコンサルタント向けエージェント16選をご紹介します。 セキュリティエンジニアの案件単価相場は?案件例も併せてご紹介! RPA案件とは?単価相場や募集状況についても解説しました。 フリーランスコンサルタントの案件や単価相場を分かりやすく解説します。 AIエンジニア向け案件の単価相場とは?案件動向についても解説しました。 無料スカウト登録はこちら ✔全案件が完全リモート/高単価の案件多数 100万円以上の案件が80%以上 ✔ 週1回~フルタイムまで自分で稼働日数を選べます。 ✔働きたい時にすぐ働けて、最短2日で仕事に入れます。 ✔ 本サービスの仕事はDX案件に特化
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