熱力学第二法則｜すべてを仕事に置き換えることはできない

熱力学第二法則 the second law of thermodynamics

熱力学第二法則とは、熱は仕事に変換できるが、いかなる熱機関も仕事に変換するときに仕事の一部の損失がともなうという法則である。すべての熱を仕事に変換することができない以上、外部から得た熱エネルギーをすべて仕事に変換できるような第2種永久機関が不可能であるといえる。

熱力学第二法則

熱は高温の物体から低温の物体へと移動しますが、その逆は自然には発生しない。また、すべての熱を仕事に変化することはできない。

熱力学第二法則の例

ガソリンエンジンは燃料が持っている化学エネルギーを燃焼によって熱エネルギーに変換し、それを軸を回すという仕事のために使われるが、これを再び、熱エネルギーに戻すことはできない。

クラウジウスの原理

外界に何の痕跡も残さず低温熱源から高温熱源に熱エネルギーを移動することはできない。(CLausius)

トムソンの原理

ひとつの熱源から熱を取り出してこれをすべて仕事に変換するだけでほかに何の変化も残さないような過程はない。

ケルビン・プランクの原理

外界になんの痕跡も残さず、熱源の熱エネルギーを循環的に仕事に変換することはできない。(Kelvin・Planck)

オストヴォルトの原理

ただひとつの熱源から熱エネルギーを受け取って、循環的に仕事をする熱機関（第二種機関）は存在しない。

熱エネルギー

熱力学第二法則に基づくと、熱エネルギーは高温から低温へ移動する。自然界の変化の方向と非可逆性を示している。

熱機関

熱力学第二法則に基づくと、熱機関において、系に加えた熱エネルギーのすべてを連続的に仕事に置き換えることはできないということが言える。エンジン開発において、いかに効率よく熱エネルギーを仕事に変換するかが開発の重要なポイントととなる。

カルノーサイクル

カルノーサイクルは熱力学第二法則を利用した熱機関である。

エントロピー増大の法則

熱力学第二法則はエントロピー（エントロピー増大の法則）の概念と強く結びついている。外部から完全に遮断された閉じた系内のエントロピーの和は、閉系内の変化が可逆である場合一定であり、変化が非可逆である場合では増大する。

状態変化

第2種永久機関

外部から得た熱エネルギーをすべて仕事に変換できるような仮想の熱機関のことをいい、熱力学第二法則はそれが不可能であることを示している。

エントロピー増大の原理と不可逆性

熱力学第二法則をより普遍的かつ数学的な形式で表現したものがエントロピーの概念である。エントロピーとは、系を構成する分子や原子の微視的な乱雑さ、あるいはエネルギーがどれだけ広がり分散しているかを示す状態量である。外部とのやり取りがない孤立系において、自然に起こる変化は常にエントロピーが増大する方向、すなわち「秩序ある状態から無秩序な状態へ」と進行する。これをエントロピー増大の原理と呼ぶ。例えば、容器の片側に詰められた気体が真空部分へ拡散していく現象や、高温と低温の物体が接触して一定の温度に落ち着く現象は、時間の経過とともにエントロピーが増大する不可逆的なプロセスである。一度拡散した気体が自発的に元の半分に集まったり、均一な温度の物体が勝手に高温部と低温部に分かれたりすることはない。このように、自然界には「時間の矢」とも呼ばれる明確な方向性が存在しており、熱力学第二法則はその物理的な根拠を明確に示しているのである。

代表的な不可逆変化の具体例

• 熱伝導：温度差のある二物体が接触した際、熱エネルギーが高温から低温へ移動し、最終的に熱平衡に達する過程。
• 摩擦による熱発生：物体が運動する際に摩擦によって運動エネルギーが熱に変わり、周囲に散逸して二度と運動エネルギーに戻らない過程。
• 気体の自由膨張：仕切りを取り除いた際に気体が真空空間へ広がり、体積が増大して密度の偏りが消失する過程。
• 混合現象：異なる種類の液体や気体が混ざり合い、均一な濃度分布になる過程。一度混ざると外部から操作しない限り分離しない。

工学および製造業における熱効率の限界

製造業やエネルギー関連産業において、熱力学第二法則はシステムの設計限界を定める極めて実用的な指標となる。特に、燃料の燃焼熱を動力に変える熱機関の効率には、この法則に基づいた理論上の上限が存在する。サディ・カルノーが提唱した理想的なサイクルであるカルノーサイクルによれば、熱機関の最高効率は動作する二つの熱源の絶対温度のみによって決定され、その値は「η = 1 – T_L / T_H」（T_Hは高温側、T_Lは低温側の温度）で表される。現実の機械装置には必ず摩擦や熱伝導、燃焼の不完全性といった不可逆性が伴うため、実際の熱効率はこの理論値よりもさらに低くなる。したがって、自動車のエンジンや火力・原子力発電所のタービンにおいて効率を向上させるためには、材料工学の粋を集めて高温側の温度を引き上げ、排熱管理を徹底して低温側の温度を下げるという、この法則に則った技術開発が日々進められているのである。あらゆるエネルギー利用の根底には、常にこの避けられない損失と限界が横たわっている。

カルノーサイクルと熱効率の特性