熱物理学
熱移動とエントロピー変化の向き
熱が高温から低温へ自発的に流れ、不可逆過程で全エントロピーが増えることを観察し、逆向き操作も調べます。 熱移動中の両物体の温度と全エントロピーを記録し、 を確かめます。
⚠ 熱のシミュレーションは仮想です。実験では、適切な監督のもとでのみ高温の槽や熱機器を扱ってください。
器具
- 隔壁を介して熱交換する高温・低温の二つの槽
- 初期温度・熱コンダクタンスのスライダー、温度・エントロピーのグラフ
手順
自発的な熱交換を追う
二つのスライダーで高温槽 T_h を低温槽 T_c より高く設定し、κ/C を固定してグラフを観察します。T_h は下がり、T_c は上がって両者は近づきます。全エントロピーが減少しないことを確認します。壁の熱コンダクタンスを上げると交換が速くなります。「逆向きに試す」を押して逆方向の熱移動とエントロピー変化を見てから、リセットします。 観測した量を次の関係式と比較します： .
エントロピー変化を読む
グラフから両槽の初期・最終温度を記録し、全エントロピーを確認します。 のとき熱量 Q が高温側から低温側へ移る場合、式 を確かめます。
温度差を変える
壁の熱コンダクタンスを固定し、初期温度差を大きくしてから小さくします。平衡に達する速さと全エントロピーの増加を比較し、逆向き操作で逆過程が自発的でないことを確認します。 観測した量を次の関係式と比較します： .
シミュレーション
実験の歴史
熱力学第二法則は19世紀、熱をすべて有用な仕事に変えられない理由や、自然過程に決まった向きがある理由をめぐる研究から発展しました。サディ・カルノーは1824年に熱機関の効率を分析し、後にルドルフ・クラウジウスとウィリアム・トムソン（ケルヴィン卿）が熱変換の限界と熱移動の向きを明確にしました。
クラウジウスは1865年にエントロピーを熱力学へ導入し、孤立系のエントロピーは減少しないと述べました。異なる温度の物体を接触させると、熱は自発的に高温側から低温側へ流れ、平衡に近づくにつれて全エントロピーは増加します。これは理想化された説明であり、一方だけでなく両方の物体のエントロピーを考える必要があります。エントロピーは微視的な状態の数とも結び付いて理解され、後に統計力学によってより深い説明が与えられました。温度差が小さくなると熱移動の速度も落ち、平衡に近づいた系では巨視的な変化が見えにくくなります。