質問: 熱力学の第二法則を他人に説明する。 国語の授業で一分間スピーチをすることになったのですが、 お題がなんやかんやで、熱力学の第二法則になりました。 しかし、私にはちんぷんかんぷんでわかりません。 誰か中学生でもわかるように、なるべく一分以内で収めるような スピーチ内容はできませんか? お願いします!
回答: 解説だけやりますよぅ スピーチ内容は自分で工夫してねぇ まず、第一法則から押さえた方がいいかなぁ これはエネルギー保存の法則の一種だよ 熱量qと仕事wの出入りに着目している点で、力学と異なるのだぁ 力学には力学的エネルギー保存の法則というのがあるよ 力学の場合は、位置エネルギー、運動エネルギー等に着目してる 一つの系があるとするぅ その系のエネルギー(内部エネルギーという)が増加したということは、 その系に仕事がされ、又は熱量が入ってきたということになる その仕事wと熱量qの和が、内部エネルギーの増加量に等しい 内部エネルギーの減少についても同じことが言えるのだぁ これが、熱力学の第一法則というものなんだぁ 例えば、真冬の外気にされされた人体は少しづつ体温を奪われてしまうぅ これは、体という系から熱量が奪われ、体のエネルギーが減少しているということになる 理論的にいえば、その失った熱量は体の内部エネルギーに等しいことになる 第一法則でとらえるとしたらこのようなことが言えるのだぁ 第一法則は、逆にいえば、系のエネルギーを減少させることで、 系に仕事をさせ、または熱量を取り出すことができると言うこともできるんだなぁ 運動して脂肪を燃やす これを第一法則で捉えるとすれば 体が仕事をする(からだを動かす)ことで、内部エネルギーを減少させる(脂肪の減少) こういうことになる ことはそう単純ではないけど、とりあえず単純にしときやす あしからず さて、第一法則の問題点をはなしましょうかぁ 高温物体と低温物体を接触させると、 熱は前者から後者に移り、最終的には両者温度は等しくなる これは経験的にわかっていることじゃなぁ しかし、第一法則によれば 低温物体から高温物体へ熱が移動しても問題ないのだぁ 両者の熱量損得のつじつまさえ合えばね・・・ ふっふっふ、 第一からすれば、氷でお湯を沸かすこともできるはずなのだぁ! 氷とはいえ、わずかながらでも内部エネルギーがあるんだから、 そこから熱を取り出せば良い!! はっはっは、これは素晴らしい! さっそく特許出願せねば!!! しかし、こんなファンタジーなことがあるはずがない これは、第一法則では説明できないということ このように、系に内部エネルギーがあるからといって、 これを自由に仕事や熱量として取り出せるわけではないのだ くそう、大金持ちになれたのにぃ では、どのような時に、取り出したりできるのかぁ? 熱は高温から低温へ自発的に移動する その逆の変化は自発的に起こることはない 缶コーヒーを上下に振ると、僅かながらコーヒーの温度が上昇する しかし、この缶コーヒーが自発的に上下に振動して元の温度に戻るということはない ふむ、自然界に起こる変化には方向性があるようだ この方向性を法則としてまとめたものが、熱力学第二法則なのだぁよ 種々の表現があるようだけど、 トムソンの原理、クラウジウスの原理が代表的なのだぁ トムちゃんの原理 循環過程により、一つの熱源から熱をとり、それを完全に仕事に変えることは不可能である 運動して脂肪消費するという例述べたよねぇ? 脂肪(内部エネルギー)が運動(仕事)として燃焼(減少)するけど、 これで終わりというわけではないのだぁ 第二法則を考慮すると、 これは必ず発熱(熱量の放出)を伴う、ということになるのだぁ これが運動による火照りということになる ok? クラちゃんの原理 低温物体から熱をとり、それを高温の物体に移す以外に、何の変化も残さないようにすることはできない クーラー観察したらわかると思うぅ 室内冷やすだけでなく、外に熱放出してるでしょう? 逆にいえば、熱放出しなきゃ、冷やせんのじゃぁぁぁ ふ、地球温暖化バンザーイ 熱力学第二法則の説明は以上かなぁ 第二法則をより一般化したもが、エントロピー増大の法則というものだが、 自然界の自発変化の方向性は、熱や仕事以外にもあるよねぇ 例えば、混合気体は自発的に単一気体に分離しないとか このような事象にも適用できるのだぁ 質問内容から、そこまでする必要もないかなぁ しかし、これを知っておくと議論範囲が格段と広がるのだぁ 例えばリサイクルはホントに環境にやさしいのか等の考察に適用できるとさぁ さらだじゃb