熱力学第二法則は、表現のいくつかの形式があります。それらの1つは、熱エンジンが吸収するすべてのエネルギーを使用可能な仕事に完全に変換することができる熱機関はないと述べています（ケルビン-プランクの公式）。別の言い方をすれば、実際のプロセスは、エントロピーが増加する傾向があるため、エネルギーの質が低下するという意味で発生すると言うことです。
この法則は、熱力学の第2原理としても知られ、19世紀初頭から現在に至るまで、さまざまな方法で表現されてきました。 、18世紀の初めに。
図1.ビルディングブロックを地面に投げるとき、それらが順番に落ちた場合、それは非常に驚くべきことです。出典：Pixabay。
しかし、それは多くの方法で表現されますが、物質は無秩序になる傾向があり、損失は常に存在するため、100％効率的なプロセスはないという考え。
すべての熱力学システムはこの原理に準拠しています。宇宙自体から始まり、テーブルで静かに待機する朝のコーヒーまで、環境と熱を交換します。
コーヒーは時間の経過とともに冷えて、環境と熱平衡状態になるので、ある日、逆のことが起こり、コーヒーがそれ自体を加熱している間に環境が冷えたとしたら、それは驚くべきことです。それは起こりそうにありません、いくつかは不可能だと言うでしょうが、物事が自然に起こる感覚を理解するためにそれを想像するのに十分です。
別の例では、テーブルの表面を横切って本をスライドさせると、その運動エネルギーが摩擦により熱として失われるため、最終的には本が止まります。
熱力学の第1法則と第2法則は、「熱力学」という用語の作成者であるケルビン卿、熱力学に関する最初の正式なテキストの著者であるウィリアムランキン、およびルドルフクラウジウスなどの科学者のおかげで、1850年頃に確立されました。
数式と方程式
エントロピー-最初に述べた-は、物事が発生する感覚を確立するのに役立ちます。熱接触している物体の例に戻りましょう。
異なる温度の2つのオブジェクトが接触し、最終的にしばらくして熱平衡に達すると、両方の温度が同じであるときに、エントロピーが最大値に達するという事実によって、それらのオブジェクトは駆動されます。
エントロピーをSと表すと、システムのエントロピーの変化ΔSは次のように与えられます。
エントロピーの変化ΔSはシステムの無秩序の程度を示しますが、この方程式の使用には制限があります。これは、可逆プロセス、つまりシステムが終了せずに元の状態に戻ることができるプロセスにのみ適用できます何が起こったかの痕跡。
不可逆的なプロセスでは、熱力学の第2法則は次のようになります。
可逆的および不可逆的なプロセス
一杯のコーヒーは常に冷たく、常に一方向にしか発生しないため、不可逆的なプロセスの良い例です。コーヒーにクリームを追加してかき混ぜると、非常に快適な組み合わせになりますが、もう一度どれだけかき混ぜても、コーヒーとクリームを別々に持つことはできません。これは、撹拌が元に戻せないためです。
図2.カップの破損は不可逆的なプロセスです。出典：Pixabay。
毎日のプロセスのほとんどは不可逆的ですが、いくつかはほぼ可逆的です。可逆性は理想化です。これが行われるためには、システムが非常にゆっくりと変化し、各ポイントで常に平衡状態になるようにする必要があります。これにより、周囲に跡を残さずに元の状態に戻すことができます。
この理想にかなり近いプロセスは、より少ないエネルギー消費でより多くの作業を提供するため、より効率的です。
摩擦力は、不可逆性の多くの原因となっています。摩擦力によって生成される熱は、求められる種類のエネルギーではないためです。テーブルを横切ってスライドする本では、摩擦熱は回収されないエネルギーです。
本が元の位置に戻ったとしても、テーブルは行き来する痕跡として熱くなっているでしょう。
ここで白熱電球を見てください。フィラメントを流れる電流によって行われる作業のほとんどは、ジュール効果によって熱で浪費されています。わずかなパーセンテージだけが発光に使用されます。両方のプロセス（本と電球）で、システムのエントロピーが増加しています。
用途
理想的なモーターは、可逆プロセスを使用して構築され、エネルギーの浪費を引き起こす摩擦がなく、ほとんどすべての熱エネルギーを使用可能な仕事に変換するモーターです。
Carnotの理想的なエンジンでさえ100％効率的ではないため、この単語をほぼ強調します。熱力学の第2法則は、これが当てはまらないことに注意します。
Carnotエンジン
Carnotエンジンは、考案可能な最も効率的なエンジンです。これは、2つの等温プロセスの2つの温度タンク間で、一定の温度で、および2つの断熱プロセスで、熱エネルギーの伝達なしで動作します。
PVと呼ばれるグラフ-圧力-体積図-状況が一目でわかります。
図3.左側はカルノーモーターの図、右側はPVの図。出典：ウィキメディア・コモンズ。
左側の図3は、温度T 1のタンクから熱Q 1を受け取り、その熱を仕事Wに変換し、廃棄物Q 2をより低温のタンクに移動するカルノーエンジンCの図です。は温度T 2です。
Aから始まり、システムはBに到達するまで膨張し、一定温度T 1で熱を吸収します。Bでは、システムは断熱膨張を開始し、熱は獲得または損失されず、Cに到達します。
Cに別の等温プロセスが開始：Tである他のより低温の熱デポジットに熱を伝達すること2。これが発生すると、システムは圧縮されて点Dに到達します。開始点Aに戻るための2番目の断熱プロセスが開始されます。このようにして、サイクルが完了します。
カルノーエンジンの効率は、2つの蓄熱槽のケルビン内の温度に依存します。
カルノーの定理は、これが世の中で最も効率の良い熱機関であると述べていますが、あまりにも早く購入しないでください。プロセスの可逆性について私たちが言ったことを覚えていますか？これらは非常にゆっくりと発生する必要があるため、このマシンの出力は実質的にゼロです。
人間の代謝
人間はすべてのシステムを機能させるためにエネルギーを必要とするため、エネルギーを受け取り、それを機械的エネルギーに変換して、たとえば移動する熱機械のように動作します。
仕事をしているときの人体の効率は、それが提供できる機械的な力と食物に伴う総エネルギー入力との間の商として定義することができます。
平均パワーP mは、時間間隔Δtで実行される仕事Wであるため、次のように表すことができます。
ΔU/Δtがエネルギーが追加される速度である場合、ボディ効率は次のようになります。
ボランティアによる多数のテストを通じて、最大17％の効率が達成され、約100ワットの電力を数時間供給しました。
もちろん、それは実行されるタスクに大きく依存します。自転車のペダルを踏むと効率はわずかに高くなり、約19％ですが、シャベル、ピック、くわなどの反復作業は約3％と低くなります。
例
熱力学の第二法則は、宇宙で発生するすべてのプロセスに内在しています。エントロピーは常に増加していますが、一部のシステムでは減少しているようです。これが発生するためには、他の場所で増加する必要があり、全体のバランスでそれがプラスになります。
-学習にはエントロピーがあります。物事をすばやく、そして後で簡単に覚えられる人もいます。彼らは低エントロピー学習の人々であると言われていますが、確かに彼らは高エントロピーの人々よりも少ないです：彼らが研究することを覚えるのがより難しいと思う人。
-組織化されていない労働者のいる企業は、労働者が秩序立った方法でタスクを実行する企業よりもエントロピーが大きい。後者が前者よりも効率的であることは明らかです。
-摩擦力は、効率的に使用できない消散エネルギーの量を増加させるため、機械の操作における効率が低下します。
-サイコロを振ることは、コインを投げることよりもエントロピーが高くなります。結局のところ、コインを投げることは2つの可能な結果しかありませんが、サイコロを投げることは6です。
解決された演習
演習1
ピストンシリンダーは、300 Kで液体と水蒸気の混合物で満たされ、750 kJの熱が定圧プロセスによって水に伝達されます。その結果、シリンダー内の液体が気化します。プロセスのエントロピーの変化を計算します。
図4.解決された例の図1.出典：F. Zapata。
解決
声明に記載されているプロセスは、物質交換を受けない閉鎖系で一定圧力で実行されます。
これは気化であり、その間も温度は変化しません（フェーズが変化しても温度は一定です）ため、上記のエントロピー変化の定義を適用でき、温度は積分の外に出る可能性があります。
ΔS= 750,000 J / 300 K = 2,500 J / K
熱がシステムに入るので、エントロピーの変化は正です。
演習2
ガスは2.00から6.00気圧（atm）に圧力が上昇し、1.00 m 3の一定の体積を維持し、次に3.00 m 3の体積に達するまで一定の圧力で膨張します。最後に、初期状態に戻ります。1サイクルで実行される作業量を計算します。
図5.例2のガスの熱力学的プロセス。出典：Serway -Vulle。物理学の基礎。
解決
これは、熱力学の第1法則に従って内部エネルギーの変化がゼロである循環プロセスであるため、Q = Wです。PV（圧力-体積）ダイアグラムでは、循環プロセス中に実行される作業は同等です。曲線で囲まれた領域に。国際システムで結果を出すには、次の換算係数を使用して圧力の単位を変更する必要があります。
1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa。
グラフで囲まれた面積は、底辺（3-1 m 3）= 2 m 3で、高さが（6-2 atm）= 4 atm = 405,300 Paの三角形の面積に対応します。
W ABCA =½（2 m 3 x 405300 Pa）= 405300 J = 405.3 kJ。
演習3
これまでに製造された最も効率的な機械の1つは、1870〜430°Cで動作する発電機に動力を供給するために使用されるオハイオ川の石炭火力タービンです。
計算：a）最大理論効率、b）マシンがホットタンクから毎秒1.40 x 10 5 Jのエネルギーを吸収する場合にマシンが提供する機械力。実際の効率は42.0％であることがわかっています。
解決
a）最大効率は上記の式で計算されます。
摂氏をケルビンに変更するには、摂氏温度に273.15を追加するだけです。
100％を掛けると、最大効率が得られます。これは67.2％です。
c）実際の効率が42％の場合、最大効率は0.42です。
供給される機械力は、P = 0.42 x 1.40 x10 5 J / s = 58800 Wです。
参考文献
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