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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

熱力学第二法則

 

中央に仕切板のある水槽の左右に 「20℃の水」 「90℃のお湯」 が入っています。

 

 

 

 

仕切板を伝って熱は移動しますが、「20℃の水」 から 「90℃のお湯」 の方へ熱は移動しません。必ず熱は高い温度(90℃)から低い温度(20℃)へ移動します。

 

このように逆にならない「不可逆的な現象」のことを 「熱力学第二法則」 といいます.

 

熱力学の第2法則とは

 

 熱は熱いものから冷たいものへ移動するが、その逆は成立しない。

 

 

 

 

熱力学第二法則は、次の3つの原理や法則で説明されます。

 

 

1.エントロピー増大の法則
2.クラウジウスの原理
3.トムソンの原理

 

 

1.エントロピー増大の法則

 

エントロピーとは、「分子の乱雑さ」 のことです。

 

エントロピーは、ドイツの理論物理学者であるクラウジウスが熱力学で導入でした概念のこと。「エネルギー」の en と「変化」を意味するギリシア語の tropy を合わせた言葉。

 

 

例えば、水の中にインクを1滴垂らします。インクは垂らした位置から広がります。
しかし、広がったインクが一箇所に集まってくることはありません。

 

 

 

インクの分子は、乱雑な方向へ増大していきます。
これを「エントロピーが増大する」といいます。

 

 

2.クラウジウスの原理

 

クラウジウスの原理とは、 「外部から何も変化を与えずに低温から高温へ熱を移すことができない」 という原理です。例えば、冷めたコーヒーが、外部の熱を吸収してホットコーヒーにはならないということです。

 

 

 

3.トムソンの原理(ケルビンの法則)

 

トムソンの原理とは、 「一つの熱源から熱を受け取り,そのすべてを仕事に変換することは不可能である」 という原理です。

 

これを言い換えると、原理的には 「熱の全てを運動として取り出すことはできない」 ということです。例えばエンジンです。エンジンはガソリンを燃やした 「熱」 から 「ピストン運動」 に変えますが、100%ピストン運動に変えることはできません。一部が必ず 「排熱」 として排出されます。

 

 

高温の熱エネルギーから仕事を取り出すには、低温の熱源に熱を捨てなければなりません。「熱を全て仕事に変える熱機関は存在しない」 というのが トムソンの原理 です。

 

以上のように熱力学第二法則は、私達の身近で起こる現象と一致しています。「なぜ、そうなるのか?」より、自然に起こる経験則であると捉えることが大切です。

 

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