熱力学の法則について

熱力学っていう学問には、3つの法則があります。この3つの法則が全ての基本となるので理解して下さい。

コトバンクより引用

1.第一法則:エネルギー保存の法則を熱的現象に適用したもの。系に外部からなされた仕事と与えられた熱量との和は,内部エネルギーの増加に等しいという法則。
2.第二法則:熱が高温の物体から低温の物体へ移動する過程は,他に何の変化も残さないならば不可逆であるという法則。あるいは,孤立系のエントロピーは,不可逆変化において常に増大するという法則。トムソンの原理。カルノー・クラウジウスの原理。
3.第三法則:系の温度が絶対零度に近づくと,系のエントロピーは 0 に近づくという法則。ネルンストの熱定理。

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噛み砕いて以下説明。

第一法則

例:空気で膨らませた風船があるとします。
この風船を80度のサウナの中に持っていったとします。
すると中の空気が膨張して風船を膨らませます。
この時、サウナの熱気が風船に与えた熱を\(Q\)、膨張した空気が風船に与えた仕事を\(W\)、風船内部の圧力を\(ΔU\)と置くと、

\( Q-W=ΔU \tag{1} \)

と表せます。\(ΔU\)は内部エネルギーと呼び、仕事+熱エネルギーの和です。
熱\(Q\)を与えれば与えるほど、内部エネルギー\(ΔU\)は上昇し、風船を膨らますのに仕事\(W\)をすればするほど内部エネルギーは減少します。
第一法則と言われればこの式です。この式の意味をなんとなく理解して下さい。

第二法則

例:10度の水を張っている状態のお風呂に、100度の熱湯をバケツ一杯分くらい入れたとします。
熱湯を入れた直後は温度分布的に言うと、一部分はめっちゃ熱いし、一部分は冷たいという状態だと想像できます。
でも、時間が経つとだいたい温度ってどの部分も一定(30度くらい?)になるじゃないですか、普通。
これが第二法則です。(時間が経つと、温度が高い物から低い物を流れちゃう現象のこと(当たり前やんけ))
この時の温度分布的な意味のことをエントロピーって呼びます。「どのくらい散らばってるか」的な意味ですね。
「熱湯を入れた直後はエントロピーが低い、時間経過とともにエントロピーが高くなる。」という風な使い方です。
式で表すと、

\[
ΔS=\frac{Q}{T}
\]

\( ΔS\)はエントロピー変化、\( Q\)は受け取った熱量、\( T\)は熱量\( Q\)を受け取ったときの温度です。(風呂の水の温度が高ければエントロピ変化は小さい。熱湯の温度がもっと高ければエントロピ変化はもっと大きい。)

日常生活で無理矢理使うなら、「ヤベー、内部エネルギー\( U\)が高くてマジしんどい。早く元体温\( T\)に対してのエントロピー変化\( ΔS\)が増大してくれないかなぁ(風邪時)」てな感じに使えます。

第三法則

第三法則から導かれる事柄を全て理解して記憶することは容易ではないし、このサイトの主旨に反していますので割愛します。
要は、どんな物質でも、−273.15 ℃時のエントロピーは0になります。ってことです。
これだけ覚えとけばOKです。
実際の問題では、第一と第二を問われるのがほとんどです。これは多分試験に出ません。(出たらごめんなさい)

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