熱力学は世界を2つに分け、2つの世界のエネルギーのやりとりを解釈する学問です。熱力学にはエネルギーが４種類あります。４つのエネルギーの理解が熱力学の要です。
力学 科学の構造
科学は「自然の解釈法」のひとつです。自然は生命にとって大切であるとともに脅威です。そのため、人は自然を理解したくなるよう、プログラムされています。ただし、自然は複雑すぎて簡単に理解することができません。空を見上げればどこまでも空が広がってい...
熱力学 熱力学① 世界を２つに分ける
「熱力学」は名前の通り、熱に関する解釈法です。ただし、熱だけに関する理論ではありません。まず、熱力学では「世界を２つに分けます」。「注目するところ」と「その他」です。前者を「系」といって、後者を「外界」といいます。また、系と外界を隔てるもの...
熱力学 熱力学② 境界
熱力学は「外界」から「境界」を経由して「系」に流入する「エネルギー」についての解釈を記述した理論です。ただし、エネルギーの供給の仕方は3種類の方法に限定されています。1．加熱2．圧縮3．物の流入この3種類の方法ですが、常に、すべての方法が許...
熱力学 熱力学③ 構造
新しい理論の話に入ったので、またまた、熱力学の構造について考えます。熱力学も「学」がつく理論なので、科学全般に当てはまるルールに従って作られています。確認ですが、科学の理論には以下の2つのルールがあります。１．扱う現象の範囲を明確に規定して...
熱力学 熱力学④ 仕事
熱力学第一法則を書き換えるときに以下の2本の式を使用しました。このうち、上の式の \( q \) は熱で、\( w \) が「仕事」です。ところで、そもそも「仕事」は力学で定義された量です。運動方程式 \( F = ma \) を位置で積分...
熱力学 熱力学⑤ エントロピー 熱力学的定義
高校物理では、エントロピーという物理量は出てきません。エントロピーは「説明しにくい物理量」だからです。しかし、エントロピーも大切な物理量のひとつです。高校までの物理を学んでいる方も、学校で習わないことも含めて学習する方が理解が深まりますので...
熱力学 熱力学⑥ エントロピー 統計力学的定義
エントロピーには2つの定義が存在します。熱力学的定義と統計力学的定義です。熱力学はマクロな視点でのみ現象を扱います。マクロとは巨視的という意味で、モル数以上の原子分子集団を指します。熱力学で扱う物理量である「温度」は、分子１個では定義できま...
熱力学 熱力学⑦ エントロピー 第一法則の書き換え
エントロピーの熱力学での定義は、$$ \Delta S \text{ ≧ } \frac{q}{T} $$でした。この式の不等号は自然現象の解釈に欠かせないものですが、数学的には扱いがめんどくさいので困ります。そこで、可逆過程に限定して$$...
熱力学 熱力学⑧ マクロな視点とミクロな視点
熱力学を学習、および使用するために強く意識すべきことがあります。熱力学はマクロな視点で世界を理解する理論です。絶対にミクロな視点を持ち込んではいけません。これは絶対のルールです。マクロとは「巨視的」という意味です。マクロな視点では、原子分子...
熱力学 熱力学⑨ 熱力学変数と熱力学関数
熱力学は6つの変数と、4つの関数で構成されています。この6変数、4関数を学習すれば熱力学の概念は完璧に理解できたことになります。これらの変数と関数は以下のようにまとめられます。規則性が見えてきますでしょうか。右辺の6つの物理量が「熱力学変数...