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熱力学第二法則の入口md 170f392
lecture/physics/thermodynamics/introduction-to-second-law-of-thermodynamics.lecture.n.md
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熱力学ねつりきがく第二法則だいにほうそくの入口いりぐち

date2026-07-14document_iddoc_22d1cac84dbba52a7aa4976e56a1ee92description熱力学第二法則を、自然に進む向き・不可逆性・エントロピー増大として定義し、熱伝導でエントロピーが増えることを証明する入口講義である。prerequisites熱と気体 / 熱力学第一法則type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/thermodynamics/first-law-of-thermodynamics.lecture.n.md / data/lecture/physics/thermodynamics/heat-engines-and-carnot-cycle-basics.lecture.n.md
physicsthermodynamicssecond-lawentropylecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、第一法則だいいちほうそくだけでは自然しぜんに進すすむ向むきが決きまらないという性質せいしつを説明せつめいする。

熱ねつが高温こうおんから低温ていおんへ流ながれることは日常的にちじょうてきである。しかし第一法則だいいちほうそくだけを見みると、低温ていおんから高温こうおんへ同おなじ熱量ねつりょうが移動いどうしてもエネルギー保存ほぞんには反はんしない。これを禁きんじるのが第二法則だいにほうそくである。

2用語ようごと定義ていぎ

可逆過程かぎゃくかていreversible processとは、系けいと外界がいかいをともに元もとの状態じょうたいへ戻もどせる理想化りそうかされた過程かていである。

不可逆過程ふかぎゃくかていirreversible processとは、自然しぜんに進すすんだあと、外界がいかいに変化へんかを残のこさずには元もとへ戻もどせない過程かていである。

エントロピーentropy S とは、可逆過程かぎゃくかていで

dS=δQrevT

により定義ていぎされる状態量じょうたいりょうである。

3法則ほうそく:熱力学第二法則ねつりきがくだいにほうそく

孤立系こりつけいでは、エントロピーは減少げんしょうしない。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔSisolated[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

等号とうごうは可逆過程かぎゃくかてい、不等号ふとうごうは不可逆過程ふかぎゃくかていに対応たいおうする。

4方針ほうしん

第二法則だいにほうそくでは、熱量ねつりょうだけでなく温度おんども見みる。

  1. 熱ねつが高温こうおんから低温ていおんへ流ながれるなら、高温側こうおんがわの減少げんしょう -Q/Th と低温側ていおんがわの増加ぞうか Q/Tc を比くらべる。
  2. 循環過程じゅんかんかていなら、系けいの ΔS は 0 でも、熱源ねつげんの ΔS を確認かくにんする。
  3. 熱機関ねつきかんでは、全部ぜんぶの熱ねつを仕事しごとにできない理由りゆうを第二法則だいにほうそくで読よむ。

5整理せいり 1:熱伝導ねつでんどうでは全ぜんエントロピーが増ふえる

高温熱源こうおんねつげんの温度おんどを Th、低温熱源ていおんねつげんの温度おんどを Tc とし、

Th>Tc

とする。熱量ねつりょう Q>0 が高温側こうおんがわから低温側ていおんがわへ移動いどうすると、2 つの熱源ねつげんを合あわせたエントロピー変化へんかは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔS=Q(1Tc-1Th)>0

である。

5.1証明しょうめい

高温熱源こうおんねつげんは熱量ねつりょう Q を失うしなうので、そのエントロピー変化へんかは

ΔSh=-QTh

である。低温熱源ていおんねつげんは熱量ねつりょう Q を受うけ取とるので、

ΔSc=QTc

である。したがって全体ぜんたいでは

ΔS=ΔSh+ΔSc=-QTh+QTc=Q(1Tc-1Th)

である。Th>Tc>0 なので

1Tc>1Th

である。よって

ΔS>0

を得える。

6帰結きけつ 2:低温ていおんから高温こうおんへの自然しぜんな熱移動ねついどうは第二法則だいにほうそくに反はんする

外部がいぶから仕事しごとを加くわえず、熱量ねつりょう Q>0 が低温側ていおんがわから高温側こうおんがわへ移動いどうするだけの過程かていは、孤立系こりつけいでは起おこらない。

6.1証明しょうめい

低温熱源ていおんねつげんは熱量ねつりょう Q を失うしなうので

ΔSc=-QTc

である。高温熱源こうおんねつげんは熱量ねつりょう Q を受うけ取とるので

ΔSh=QTh

である。全体ぜんたいのエントロピー変化へんかは

ΔS=QTh-QTc=Q(1Th-1Tc)

である。Th>Tc なので

1Th<1Tc

となり、

ΔS<0

である。これは孤立系こりつけいのエントロピーが減少げんしょうしないという第二法則だいにほうそくに反はんする。したがって、そのような自然しぜんな熱移動ねついどうは起おこらない。

7単位たんいの確認かくにん

エントロピーの単位たんいは

QT:[J;ML2T-2][K-1;Θ-1]=[J/K;ML2T-2Θ-1]

である。

8見分みわけ方かた

  • 自然しぜんに進すすむ向むきなら第二法則だいにほうそくを考かんがえる。
  • 熱ねつが高温こうおんから低温ていおんへ流ながれるなら ΔS>0。
  • 熱機関ねつきかんの限界げんかいなら、熱源ねつげんを含ふくめてエントロピーを見みる。

9どこまで成立せいりつするか

エントロピーの厳密げんみつな定義ていぎには可逆過程かぎゃくかていを使つかう。不可逆過程ふかぎゃくかていでもエントロピー変化へんかは状態量じょうたいりょうとして定さだまるが、計算けいさんするときは同おなじ始状態しじょうたいと終状態しゅうじょうたいを結むすぶ仮想的かそうてきな可逆過程かぎゃくかていを選えらぶ。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔSisolated[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔS=∫δQrevT

11一言ひとこと

第一法則だいいちほうそくはエネルギーの量りょうを守まもる。第二法則だいにほうそくは自然しぜんに進すすむ向むきを決きめる。

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