blogで学ぶ《宇宙一わかりやすい》熱力学の基礎

序章：なんのために学ぶのか

そこらへんの空気を見て、たくさんの分子が動き回っているなー

とか思うことはあるでしょうか？

たぶんめったにないのではないでしょうか。

なぜなら、空気は透明で目にみえないからです。

しかし、実際には、何兆個もの分子が私たちの家の中や様々なところに存在し、動き回っているのです。

これらの粒子たちがどのような動きをしていくのかを予言したい、制御したい。

それが物理学の醍醐味です。

しかし、そんなこと可能なのでしょうか？

一つ一つの粒子の動きを把握することは難しいですね

ってことはどうすればいいかっていうと一つ一つの動きを見るのではなくて、

まとまり集団としてどのような性質があるかっていうのを見ようというのが熱力学の考え方です

例えば、人間一人一人の行動が今後どうなるかっていうのはいろいろな学問を駆使すればできるかもしれませんが、何千人もの一人ひとりの動きをすべて細かく細かく監視するっていうのは難しい。

しかし千人全体の集団としてはどのような傾向があるのだろうか、

例えば東京駅とかでええ山手線に乗ろうとしてる人はどういう歩き方どういう方向に進もうとするのか、集団としてどこに動いていくのか、といったことは把握できるわけですね

まあそういった形で個々の物質に注目するのではなくて集団に集団の動きに着目しようというのが熱力学の考え方でまあ集団のことを熱力学では「系」という言い方をするんですね。

系はいろいろな系が考えられるんですね、例えば系の中にはたくさんの粒子がいるわけですがまあ粒子が少ない系だったり体積がおーきな系であったり、とても一つ一つの粒子がすごいスピードで動き回ってる系っていういろんな系があるんですね。

熱力学の性格は３つで決まるよ！！

こういった系はある三つの性質を持ってるんですね。

それが温度と体積と粒子数という三つのファクターを持ってるわけですね。

温度っていうのはtempreture英語で言うのでTその頭文字のTで表します.

体積はV大文字のVで表します.

そして粒子数は大文字のNで表します.

このTとVとNを決めることによってええこのある系の性質というものは決定できるんです。

人間っていうのは身長が何センチだとか体重が何キロだとか髪の毛が長いとか短いとか性別だとか様々なファクターがあるわけですね例えば身長が170cmってだからって自分だっていうのを特定することは無理です。

170cmの人はたくさんいるわけですからそしたら身長が170cmで性別が男で体重が70キロで髪が長くて足のサイズが28でみたいな形でまあいろいろなファクターを決めていくことでまあ何個ぐらいでしょうね。30個ぐらいのファクターを決めればまあ大体自分っていうものが確定されるんじゃないかなと思いますね。

まあ名前っていうのもファクターですね、

だいたい自分だけでも同じ同姓同名の人っていうのはこの世の中にまあまあいますから名前を決めるだけでもだめですねそういった形で人間は様々なファクターを決めることで自分が特定できるわけですが、

熱力学的な集団である系というものは温度Tと体積Vと粒子数Nこの３つを決めればお前だよねお前ね一つの前の一つだよね一つのねある系だよねっていうのが確定させされるわけですよ

つまり少し数学的な言い方をするならば熱力学のある状態エネルギーであったりある状態を考えるときにその状態を左右する変数すなわち変数ですね変数っていうのはティートvとnの3種類になるんですよ要は数学でyイコールX2乗っていうもの関数をやると思うんですけれどもこれはいわば放物線になるわけですつまりyはxの関数でありエックスジジョウというええ変換数なんですyイコールX2乗という関数今の場合変数はtとvとnみっつあるわけですね先ほどyイコールX2乗っていうのはエックスノ一つしかなかったんですがyとえっハワイじゃなくてvとnとティーの三つ変数を持った関数が出来上がるわけですつまり例えばですよ関数がtかけるvたすnこれはtvnの数そんな感じでこのtとbとnの三つの変数になるわけですよもう一度言いますとtが温度vが体積mが流出になるわけで

性格はころころ変わらない【平衡状態とは】

そして系の状態っていうのはTとVとNで決まると言いましたが、

このTとVとNはそれぞれの系に対して一つに決まるんですね。

でも待ってくれ、、温度ってころころ変わっていきますよね、、

つまトT、V、Nが一つに決まるというのは長い時間放っておいた時に一つに決まるということなんですね。

つまりあるスープを火で温めた場合、温度変わってきますよね。

火を止めた場合でもまだ温度は冷やされて下がってきます。

そんな感じでスープという系、状態、集団って考えると、温度は刻々と変わっていってしまうわけですが、長い時間で考えれば長い時間経てばそれはある一定の温度Tに落ち着くというのが熱力学的な前提になるんです。

このことをある単語というわけですね。

長い時間おくとある状態にT,V,Nが一つに決まる、これのことを平衡状態というふうに言葉で言うわけです。

例えば先ほどのスープの例のように最初に10℃のスープがありましたこれを火であっためて50℃にしました。

火を止めて外側は断熱性のある鍋で覆ってます蓋で覆ってます。

そのとき、まあ温度は50℃に固定されるわけですので１０℃になった状態のときはまあ一つの平衡状態です。

そこから温められて50度になった時も別の平衡状態ですね。

ですから10℃の時も平衡状態であり、50℃の時も別の並行状態であるというふうに言うわけですね。

しかし１０℃から50℃に行く時っていうのはその温度が上がってますから、まあ変化しちゃってるわけですね。

本当ってことはじゃ平衡状態と言いませんということでこの変化している状態のことを何というかと平衡状態に非ず、すなわち非平衡状態と言うわけです。

一般的に熱力学では平衡状態と別の平衡状態の関係を考えることが多いです。

そのため非平衡状態に関してはあまり考えないことが多いです。

どういうことかというと、ある平衡状態つまりある温度と体積と粒子数が決定されている時に、別の平衡状態になった時に、どのように温度や体積や粒子数が変化するのかというのを考えるのが熱力学と言うものなんです。