| English | 意味 |
|---|---|
| entropy/ˈentrəpi/ | エントロピー |
| second law of thermodynamics/ˈsekənd lɔː ɒv ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ | 熱力学第2法則 |
割れたコップは再び結合しない
- コップを落とすと割れる。いくら待っても、破片が自発的に元に戻ることはない。
- コーヒーに牛乳を混ぜても、元に戻らない。熱が低温側から高温側へ自発的に流れることはない。
- 自然には特定の方向性がある: 物は秩序から無秩序へと向かう。
- この無秩序度の尺度がエントロピーであり、それは常に増大する。
エントロピーは無秩序度を測る
- エントロピーとは、系内のエネルギーがどれほど広がり、無秩序かを示す尺度である。
- 整然とした秩序立った配置は低いエントロピーを持ち、乱れて広がった配置は高いエントロピーを持つ。
- 無秩序な配置の数は秩序立った配置に比べて圧倒的に多いため、無秩序であることが圧倒的に起こりやすい。
- 孤立した系は、最も確率の高い(最も無秩序な)状態へと遷移していく。
エントロピーとは、システムの ____ の指標です。
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エントロピーは、システム内のエネルギーがどれほど広がり、無秩序であるかを表します。
第二法則
- 熱力学の第二法則: 宇宙全体のエントロピーは常に増大する。
- そのため熱は高温側から低温側へ流れ、逆には流れない — エネルギーを広げるためである。
- エントロピーを局所的に下げることができる(冷蔵庫、生体細胞など)が、それは他のどこかではより多くエントロピーを増やす必要がある。
- 第二法則が時間に方向性を与えている — 「時間の矢印」である。
熱力学第二法則によれば、宇宙全体のエントロピーは：
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宇宙全体のエントロピーは常に増加する — これが熱力学第二法則である。
熱が高温から低温へ流れるのは、エネルギーを広げて総エントロピーを増やすからです。
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エネルギーを広げるとエントロピーが増加するため、自然な流れは高温→低温となります。
完全機関は存在しない
- エントロピーが増大しなければならないため、熱機関が加えた熱の全てを仕事に変換することはできない。
- 必ず一部のエネルギーは低品質な廃熱として散逸する。
- これが自動車エンジンや発電所が決して$100\%$効率にならない理由である。
- 第二法則は、いかなる巧妙な設計によっても突破不可能な厳格な上限を設定している。
熱力学第二法則
自然現象は総エントロピーを増大させます。各プロセスを分類してください。
エントロピーは増大しなければならないため、どのような熱機関も ____% の効率を持つことはできません。
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エネルギーは必ず廃熱として散逸するため、$100\%$ の効率は不可能です。
熱力学第二法則の結果として生じるものをすべて選択せよ。
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熱力学第二法則は熱の流れ、機関の限界および時間の矢印を示す。カップが再構成されることは全エントロピーを減少させるため禁止されている。
第二法則は、系そのものとその周囲の総エントロピーに関するものです。局所的に秩序を生み出すことは可能です——冷蔵庫で氷を作ったり、細胞が構造を形成したり—but、常に周囲へより多くの無秩序（廃熱）を排出することで達成されます。宇宙の総エントロピーは依然として増加し続けます。
冷蔵庫が氷を作ることはエントロピーを低下させるため、熱力学第二法則に違反している。
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局所的にはエントロピーを低下させますが、部屋により多くの無秩序（廃熱）を排出するため、総エントロピーは依然として上昇します。
なぜ温かい紅茶は、涼しい部屋から熱を吸収して自発的にさらに熱くなることはないのでしょうか？
- それは総エントロピーを減少させる（エネルギーを集中させる）ことになり、第二法則によって禁止されているためです。
- 代わりに熱は紅茶→部屋の方向に流れ、エネルギーが拡散して総エントロピーが増加します。
エントロピーは無秩序の度合いを表し、熱力学第二法則は宇宙の総エントロピーが常に増加することを示しています。これは自然過程の方向性（高温→低温）を定め、完全機関の存在を禁じ、時間に矢印を与えます。局所的な秩序には、他の場所でのより大きな無秩序が必要となります。