熱

熱力学における熱：定義、性質、および関連概念

熱力学において、熱とは、高温の物体から低温の物体へと移動するエネルギーの一形態です。これは、単にエネルギーの蓄積ではなく、エネルギーが一方から他方へと移動する過程を指します。このエネルギー移動の量は、熱量として測定されます。

熱の定義と性質

ジェームズ・クラーク・マクスウェルによる熱の定義は、熱力学第二法則に基づいており、物質として扱うことはできません。熱は、系のエネルギー変化から力学的仕事を差し引いたものとして定義されます。高温物体から低温物体への自発的な熱移動は熱力学第二法則によって規定され、低温物体から高温物体への自発的な熱移動は起こりません。熱平衡状態では、温度差がなく、熱移動は起こりません。

熱と内部エネルギー

物質に加えられた熱や仕事は、その物質を構成する分子や原子の運動エネルギーと位置エネルギーの変化として現れます。内部エネルギーは、これらのミクロなエネルギーの総和であり、分子の並進運動、回転運動、振動運動、分子間相互作用、原子核エネルギーなどから構成されます。熱力学第一法則（ΔU = Q - W）は、内部エネルギーの変化（ΔU）が、加えられた熱（Q）と系がした仕事（W）によって決まることを示しています。

エンタルピーと熱容量

定圧条件下では、熱の流入によって内部エネルギーと体積変化が同時に起こります。この場合、エンタルピー（H = U + PV）の変化が重要になります。エンタルピーと内部エネルギーは共に状態関数であり、系の状態によってのみ決まります。

熱容量は、温度変化に対するエネルギー変化の比として定義されます。単位質量当たりの熱容量を比[[熱容量]]、単位物質量当たりの熱容量をモル熱容量と呼びます。比[[熱容量]]は物質固有の性質であり、温度や状態によって変化します。低温での比[[熱容量]]は、量子効果によって古典的な理論からずれが生じます。金属の場合、伝導電子の寄与も考慮する必要があります。

エントロピー

クラウジウスによって導入された[エントロピー]は、熱(Q)と[温度]の比(ΔS = Q/T)として定義されます。エントロピーは、系の乱雑さの尺度であり、熱力学第二法則はエントロピーが増大する方向に変化が起こることを示しています。

熱の工学的応用

工学において、熱は伝熱、熱交換器、熱機関などの設計・運用において重要な要素です。熱伝導、対流、放射といった伝熱機構は、システム全体の熱移動に影響を与えます。熱機関は熱を仕事に変換する装置であり、その効率は熱力学第二法則によって制限されます。

熱の歴史

歴史的には、熱の正体について様々な説が提唱されてきました。カロリック説は熱を物質である熱素として捉える説でしたが、ランフォード伯らの実験によって否定されました。

まとめ

熱はエネルギー移動の一形態であり、熱力学において中心的な役割を果たします。その性質、関連する物理量、そして工学的な応用を理解することは、自然現象や技術システムの理解に不可欠です。熱力学第一法則と第二法則との密接な関係性、またエントロピーや比[[熱容量]]といった関連概念を理解することで、より深い理解につながります。

もう一度検索