主な相違点 – 熱力学の第一法則と第二法則

熱力学は、物理学、材料科学、工学、化学、環境科学など様々な分野で重要な役割を担っています。

熱力学には、熱力学の第0法則、熱力学の第1法則、熱力学の第2法則、熱力学の第3法則の4つの法則が存在します。

この4つの法則は、すべての熱力学的過程がそれに従うとするものです。

第1法則と第2法則は、熱力学で最もよく使われる法則です。

第一法則は、エネルギーは創造も破壊もできないというものです。

これは、エネルギー保存則の別バージョンに過ぎない。

一方、第二法則は、ある熱力学的過程が禁じられると主張するものです。

今回は、熱力学の第一法則と第二法則の違いに焦点を当てます。

熱力学の第一法則とは？

熱力学の第一法則は、熱力学的プロセス用に調整されたエネルギー保存の法則に似ています。

エネルギー保存の法則によれば、孤立した系の全エネルギーは一定です。

エネルギーは生成も破壊もできないが、ある形態から別の形態に変化させることはできる。

第一法則は、閉じた系の内部エネルギーの増加は、系に供給される熱から系が行う仕事を差し引いたものに等しいと述べている。

ここで、ΔU=内部エネルギーの増加、ΔQ=系に供給される熱、ΔW=系が行う仕事と表現することもできる。

(ΔWは系に仕事がかかると負になる)。

第一法則は、ΔU= ΔQ+ ΔWと表されることもあります。

この形の第一法則では、ΔWは系にかかる仕事ととらえるべきです。

この場合、ΔWは系にかかる仕事と考えるべきで、系に仕事がかかるとΔWは負になります。

いずれにせよ、第一法則はエネルギーをある形態から別の形態に変換する方法については何も主張していない。

熱力学第二法則とは？

熱力学の第二法則は、以下のようにいくつかの表現が可能です。

完全な熱機関や完全な冷蔵庫を作ることは不可能である。

これは、エネルギー効率100％の熱機関や冷蔵庫は作れないという意味です。

熱を完全に仕事に変えることは、他の変化を伴わなければ不可能である。

この文は、熱が仕事に変換されるたびにエネルギーが浪費されることを意味します。

その無駄を減らすことはできる。

しかし、無駄をなくすことはできない。

永久機関を作ることは不可能である。

この文は、エネルギーは時間と共に浪費されるので、永久機関を作ることは不可能であることを意味している。

熱は高温の貯水池から低温の貯水池に流れることはできるが、他の変化が起こらない限り、その逆はできない。

この文は、熱は仕事をしなくても高温の貯水池から低温の貯水池に移動させることができることを意味する。

しかし、冷たい貯水池から熱い貯水池に熱を移動させるためには、仕事をしなければならない。

可逆カルノー機関より高い熱効率を持つ熱機関は存在し得ない。

この言葉は、熱機関の熱効率がカルノー効率を超えないことを意味している。

この熱効率の最大値をカルノー効率という。

この概念は、与えられた熱力学系で達成可能な最大の熱効率を計算することができるため、科学的に非常に有用である。

熱力学第一法則と第二法則の違い

基本的な考え方

第一法則  熱力学の第一法則は、エネルギー保存の法則のバージョンです。

第二法則。

熱力学第二法則は、自然界でどのような熱力学的過程が禁じられるかを述べたものです。

内容

第一法則 熱力学の第一法則は、エネルギーは生成も破壊もできないことを述べている。

第二法則 完全な熱機関や完全な冷蔵庫を作ることは不可能である。

永久機関を作ることは不可能である。

熱を完全に仕事に変えることは不可能である。

熱は冷たい貯水池から熱い貯水池に自然に流れることはない。

孤立した系のエントロピーは決して減少しない。

用途

第一法則。

第一法則： ΔU= ΔQ+ ΔWの式は、他の二つの量が既知であれば、一つの量の代数的な値を計算するために使用される。

第二法則。

第二法則：ある熱機関の最大熱効率（カルノー効率）を計算するのに使用する。

「カルノー熱機関” by Eric Gaba (Sting – fr:Sting) – Own work Based upon Image:Carnot-engine.png, (Public Domain) via Commons Wikimedia