今日は、物理化学のエントロピーとか熱力学第二法則あたりの勉強をしました。
かなり高校の物理の範囲なんじゃないか？って思いますが、もう物理を勉強しなくなって早4年ほどたっているので、復習もかねて勉強していました。
しかし、この分野は勉強していて感動しますね。
感動ポイント①
カルノーサイクルという理想的な最も効率の良い熱機関というものが存在します。
こんなやつです。
これをめちゃくちゃ簡単に言うと、気体を使って超省エネの機械を作るにはこんな感じにすればいいよ、みたいな話です。
まず、機械を動かすためにはエネルギーが必要なので、そのエネルギーをQ1という形で与えます。図の等温過程T1というところです。
等温状態でエネルギーを与えると気体は膨らみます。そうしたら次に、もっと仕事してもらうために、断熱（外部にエネルギーを逃がさない）した状態で、気体を膨らませます。これにより、温度は下がりますが、更に気体は膨らみます。
そこまで、気体を膨らませたら次に、等温に保ちながらエネルギーQ2を外部に放出させます。すると、この時、気体が圧縮されます。
さらに、この気体を圧縮して元の温度に戻します。
こんな感じのサイクルを作れば、
ある温度A→熱を与える→気体膨らむ→熱を放出される→気体しぼむ→元の温度に戻す
という流れで、例えばピストン運動みたいな運動をさせることができます。
これを何らかの機械の動力源として使えるわけですね。
それは、なぜかというと、上記のサイクルはカルノーサイクルと呼ばれるのですが、
今回のサイクルがした仕事のエネルギーは
もらったエネルギーQ1 - 放出したエネルギーQ2 と表せますね。
なので、効率としては
e = Q1 - Q2 / Q1
という式で表せます。
そして、この式は
e = T1 - T2 / T1
と、エネルギーをもらった時および、エネルギーを放出した時の温度のみの関数として表すことができます。
つまり、熱効率が1、つまり、与えられた熱をすべて仕事として使うためにはT2 = 0である必要があります。この0というのは0度という意味ではなく、0K、つまり、絶対零度と呼ばれる、理論上のもっとも低い温度で、そのような温度を実現することは不可能です。
この理論により、「熱効率が100％の機械は作れない」と証明されてしまったので、永久に動き続ける機械を作ることはできないと結論付けられることになったのです。面白すぎますね。
感動ポイント②
気体を放置してたら勝手に広がる現象を物理的に証明できた！！！
この図のような状況、イメージつきますでしょうか。
気体をしきりで区切っておいて、その仕切りをなくしたら気体は容器全体に広がりますよね。
でもこれってなんでですか？
なんで気体は勝手に広がるんですか？？
ってのをエントロピーという概念を導入すれば物理的に証明できます。
ちょっと疲れたので証明は省きますが、こうやって広がったほうがエントロピーが増大するんですね。自然界ではエントロピーが増大する方向へと勝手に変化が起きます。（そのため、勝手に広がるんですね～（ちなみに自然界でエントロピーが増大方向に変化するというのも証明できます。）
いや～～感動しますね。
日常に起こる物理現象を数式を使って証明できるって素晴らしすぎますね。
