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古典熱力学

古典熱力学は、物理系内のエネルギー、熱、仕事の巨視的挙動を扱う物理学の一分野です。統計力学とは異なり、個々の粒子の微視的挙動ではなく、予測可能な巨視的結果に基づいています。このトピックを詳しく探っていきましょう。

基本概念

古典熱力学は、ある基本的な原理と法則に基づいています。これらは、量子および統計のゆらぎを無視できるほど大きいシステムで観察されます。

システムと環境

熱力学では、「システム」とは、我々が研究に興味のある宇宙の一部を指し、このシステムの外側にあるすべてが「環境」とされます。例えば、風船内のガスの熱力学を研究している場合、そのガスがシステムであり、風船およびその他すべてが環境です。

システムはさらに次のカテゴリーに分類されます：

開いたシステム - 環境と物質とエネルギーの両方を交換できます。
閉じたシステム - 環境とエネルギーのみを交換でき、物質は交換できません。
孤立システム - 環境と物質またはエネルギーを交換することはできません。

状態関数

システムの記述は、「状態関数」と呼ばれる特定の性質によって与えられます。これらには、圧力 (P)、体積 (V)、温度 (T)、内部エネルギー (U) が含まれます。状態関数は、システムの状態にのみ依存し、その状態に至る過程には依存しません。

U = f(P, V, T)

手続き

熱力学的プロセスは、ある状態から別の状態への変化を記述します。それらは、状態関数の変化の仕方に応じて分類されます：

等温過程 - 温度が一定のまま進行します。
断熱過程 – 熱交換なしで進行します。
等圧過程 - 圧力が一定のまま進行します。
等容過程 - 体積が一定のまま進行します。

熱力学の第一法則

熱力学の第一法則、別名「エネルギー保存の法則」は、エネルギーは創造も破壊もされないことを述べています。閉じたシステム内の総エネルギー変化は、システムに加えられた熱とシステムにされた仕事の和です。

ΔU = Q - W

ここで：

ΔUは内部エネルギーの変化です。
Qはシステムに加えられた熱です。
Wはシステムによって行われた仕事です。

例として、閉じたシリンダー内に蒸気を供給する蒸気機関を考えてみましょう。蒸気は膨張し、ピストンを動かして仕事を行います。システムのエネルギー変化は、第一法則を使用して計算することができます。

熱力学の第二法則

第二法則は「エントロピー」という概念を導入します。これは、システムの無秩序またはランダム性の尺度です。孤立システム内では、全体のエントロピーは時間とともに減少することは決してないことを示しています。すなわち、過程は最大の無秩序と熱力学的平衡に向かう傾向があります。

この法則は、コーヒーに牛乳を加えるような操作で観察できます。クリームは均等に広がるまで広がり続けます。

エントロピーが増加するという概念は、熱を完全に仕事に変換することが不可能であることを意味します。たとえば、熱機関では、吸収されたすべての熱が有効な仕事に変換されるわけではなく、必ず一部が廃熱として放出されます。

熱力学の第三法則

第三法則は、閉じたシステムの温度が絶対零度に近づくにつれて、そのエントロピーが一定の最小値に近づくことを示しています。有限のプロセス系列を通じて絶対零度に到達することは不可能であることを示唆しています。

実用的に言えば、この法則は、冷蔵庫またはヒートポンプがどれだけ効率的に設計されても、システムからエネルギーを完全に除去することは不可能であることを意味します。