熱力学

熱力学とは

エネルギーは減らない。けれど、使える形のエネルギーは減っていく。

熱力学は、温度・熱・仕事・エネルギーの関係を扱う学問です。おもしろいのは、物が何からできているかを知らなくても成り立つこと。数え切れないほどの粒子の集まりを、温度や圧力のような少数の量だけで記述します。

その後、粒子一つひとつの動きから熱を説明する統計力学が生まれ、熱は「たくさんの粒子のでたらめな動き」だと分かりました。

基本の考え方

身のまわりの熱力学

• コーヒーが冷める、ミルクが混ざる ― どちらも逆向きには起きない。エントロピーが増える向きにだけ進む。
• 冷蔵庫とエアコン ― 電気を使って、熱を低いほうから高いほうへ汲み上げている（ヒートポンプ）。逆流させるには仕事が要る。
• 車のエンジン ― 熱をすべて仕事に変えることはできない。どれだけ工夫しても、効率には上限がある（カルノー効率）。
• サウナと汗 ― 汗が蒸発するとき、体から熱を奪う。水を気体にするには大きなエネルギーが要るから。
• 部屋は放っておくと散らかる ― 比喩としてよく使われる。整った状態より、散らかった状態のほうが並び方の数が圧倒的に多い。

流れ

1. 1824カルノーの熱機関の理論蒸気機関の効率には、温度差で決まる上限がある。
2. 1840年代ジュールの実験熱と仕事は、同じエネルギーの別の姿だった。
3. 1850・1865クラウジウスの第二法則とエントロピー熱は自然には低いほうから高いほうへ流れない。
4. 1877ボルツマンの式エントロピーを、粒子の並び方の数で説明する。
5. 1948シャノンの情報エントロピー同じ形の式が、情報の量を測るのにも使われる。
6. 1961ランダウアーの原理情報を消すと、必ず熱が出る。情報は物理だった。

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限界と、次の物理へ

熱力学の法則は、物の中身によらず成り立つ、物理学でもっとも揺るぎない法則の一つと言われます。一方で、つぎの問いへ橋をかけました。

• 熱いものはなぜ光るのか ― その光の色の説明に行き詰まったことが、プランクのエネルギー量子の考えを生み、量子力学の扉を開いた。
• 情報と物理 ― 情報を消すと熱が出る。情報理論は数学の言葉であり、同時に物理の言葉でもある。
• ブラックホールの温度 ― ブラックホールにもエントロピーと温度があることが分かり、重力と量子をつなぐ手がかりになっている。

自分の問いとのつながり

なぜ時間は、一方向にしか進まないように見えるのか。

力学の法則は、時間を逆に流しても成り立ちます。ボールの動きをビデオで逆再生しても、不自然には見えない。けれど、割れたコップが元に戻る映像はすぐに嘘だと分かる。法則のレベルでは区別のない過去と未来が、私たちには違って見える。その違いをつくっているのが、エントロピーの増大だと考えられています。

それでも生きものは、体の中に秩序をつくり、保っている。それは外からエネルギーを取り込み、エントロピーを外へ捨てることで成り立っている。生きることは、エントロピーの流れの中で形を保つことなのかもしれない。

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