熱力学の入門 - YaTaro文庫

熱と力の関係を表す。熱力学。

この学問の発達により、蒸気から力学エネルギーを取り出すことができ、蒸気機関が作られ、イギリスで産業革命が起こりました。

我々の生活を激的に変化させた熱力学という学問。その一端に触れたいと思います。

まずは、温度という概念について、

電気を作るための火力発電所では、水を蒸発させ、ガスタービンが回っています。

水は100度で水蒸気になります。水は0度で氷になります。我々の体温は平均36度です。この度（℃）という単位。水の状態変化に都合よい数字だと思いませんか？

そもそも、熱というものは最初、何を持って0とするか、1とするか、図る基準とする対象がありませんでした。なので、華氏温度というのは、羊の温度を100度、海水の氷を0度として作られました。つまり、0度とは何か？物体が熱を発さない状態は何か、何度まで下がるのか？というのが最初の疑問でした。

最終的には、分子運動が停止したと推定する状態を0ケルビンとし、絶対温度を定めました。ここから、熱への探求が始まります。

重要なのは比熱（熱を伝わり方、比例定数）

比熱には定容、定圧の二種類がある。

（二通りの変化の仕方がある）

熱量は質量と比熱、温度をかけたもの。

上記の原理を説明したのがボイルの法則とシャルルの法則。

これをまとめて理想気体での状態方程式にする。

この方程式の特徴は運動量保存則とエネルギーの保存則の仲立ちをしている点。

ボイルの法則では圧力のパラメータがあり、シャルルの法則では温度と体積のパラメータがある。これによって、熱が力（圧力）に変換されていることが証明される。

しかし、理想気体をモデルとして構築された式なので使用条件がある。

なので、圧力が極端に高かったり、低かったりすると適用できない。

次に、熱力学第1法則のエネルギー保存則。

これは、加えた熱量が内部エネルギーの増加量（温度）と外部仕事（体積と圧力）に分配される法則のこと。

次に、熱力学第2法則の熱は高いところから低いところに流れ、熱平衡に至ること。

以上の性質を利用し、熱機関は考え出されました。最初に考え出されたのは可逆変化するカルノーサイクル。熱サイクルを利用したのは、冷暖房で使われるヒートポンプです。

さらに、分かったこととしては、エントロピーという存在です。同じ熱量を与えたはずが、効率が落ちて、出力される。例えば、ピストンの摩擦を伴うサイクルではエントロピーは増加することになり、熱効率が低下します。

内部エネルギーとエントロピーの違いはまた今度、詳しく説明したいと思います。

また、実用例としては、冷凍機の熱サイクル、蒸気エンジン、タービンを使用するときの再熱サイクル、ロケットエンジンの熱サイクル等があげられます。

今後、考察したい内容

熱力学と流体の関係。上記では、流れを考慮していない。

3種類の伝熱について（熱力学第2法則による）

さらに3つが合わさった複合熱伝達。

長くなりましたが、今回はここまで！