熱力学物理理科

熱力学第2法則？わかりにくい「エントロピー」を理系ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回はエントロピーについて考えていくぞ。

高校物理ではほとんど出てこない概念だがな。しかし、熱力学第2法則は習ってるはずだ。そしてエントロピーはこの熱力学第2法則の別の表現なんだ。

エントロピーは難しい概念で、一言で「コレ」というのは難しいかもしれないが、理系ライターのタッケさんと一緒に解説してゆくぞ！

この記事の目次

解説／桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター／eastflower

物理学全般に興味をもつ理系ライター。理学の博士号を持つ。専門は物性物理関係。高校で物理を教えていたという一面も持つ。今回はエントロピーについて考えてみた。

熱力学第2法則

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熱力学第2法則をご存知でしょうか？

クラウジウス（1822～1888）によれば次のように定義され、クラウジウスの原理とも呼ばれています。

「熱は高温の物体から低温の物体へ移動し、自然に低温の物体から高温の物体へ移動することはない。」

なにを当たり前なことを、と思われるかもしれませんが、日常生活のこのような常識と思われることもなぜかと考えることは大事なことなのです。

さて、クラウジウスの言っていることは至極当然のように思われます。
しかし、ちょっと考えてみてください。

真空中で振り子を振らせるとき、抵抗がなければいつまでも振れ続けますよね。
いや、これも当然だろう、と思われるかもしれません。
でも、これは行ったり来たりできるという点で熱現象とは決定的に違います。

たとえば、熱いやかんを放置すればやがてやかんの中のお湯とともに冷えていきますね。
これの逆は…
　　「冷えてしまったやかんの水を放置すれば、逃げていった熱が戻ってきてひとりでにお湯が沸く」

ということになりそうですが、このことは我々の直感通り、常識的には起こり得ないことです。
つまり、熱の場合は行ったり来たりすることはできないのですね。
こういう現象を不可逆変化といいます。

クラウジウスを始めとする当時の科学者たちは、熱現象がどうして可逆でないのか？
なぜ熱は温度の高いところから低いところへしか流れないのかについて、物理的な説明を与えようと努力しましたが、多大な努力にも関わらずできなかったのです。

そこで、クラウジウスはなぜ？と問うことをやめて、
「熱は温度の高いところから低いところへ流れ、その逆はない」
というのを経験則として認めることにし、それを物理学での原理として採用することにしました。
原理というのは、経験則などにより疑いがないと信じられるものを物理学の礎として採用するというものです。