熱力学第二法則とは？高校物理をわかりやすく解説

2.熱力学第二法則をさらに知ろう！エネルギーの質とは？（理工学系の大学を目指している人向け）

熱力学第二法則で言及されるのは、エネルギーの移動とエネルギーの質の2つです。
エネルギーの移動については、先にお伝えした通りになります。
では、もう1つのエネルギーの質について考えてみましょう。
ここで重要になるのが、エントロピーという言葉です。
一時期、小説や漫画、アニメなどのフィクションで良く用いられていましたので、ご存じの人も多いでしょう。
エントロピーとは、日本語にすると乱雑さ、無秩序、不確定性といったような意味になります。
どの意味をとるのかは、取り扱う分野によっても異なってくるのですが、一般的には乱雑さと覚えておくといいでしょう。

熱理学第二法則では、このエントロピーは断熱系において常に増大し続けるものである、と考えています。
断熱系とは、他と熱のやりとりができない遮断された熱力学系を意味します。
つまり、閉じた空間であると思ってください。
熱エネルギーは、100％仕事に変換することができません。
ただ、効率の良い仕事を得ることはできます。
これをエネルギーの質とすると、エントロピーとは質を下げる要素であると考えられるのです。
そして、エントロピーは常に増大していくとされますので、最終的にすべてのエネルギーは仕事ができなくなります。
これが熱的死と呼ばれるものです。

ただ、こうした説明もわかりにくいでしょうから、いくつか例を出してわかりやすく解説をしていきます。

エネルギーの質とエントロピーの関係性

ここに2つの図書館があると想像してください。
2つの図書館ともに、同じ本が蔵書されています。
一方の図書館は司書がいて整然と本が整理されていますが、対するもう一方の図書館は、整理整頓されていないとしましょう。
同じだけの本が蔵書されていますので、熱的な量で見れば同じエネルギーを持っていると考えられます。
しかし、図書館を使う方からすればどうでしょうか。
整理整頓された図書館は使いやすいですが、されていない方はどこにどんな本があるかわかりません。
この図書館の乱雑さこそが、エントロピーという概念です。
整理整頓された方はエントロピーが低く、エネルギーの質がいいとなります。
反対に整理されていない図書館はエントロピーが高く、エネルギーの質が悪いとなるのです。
整頓された方の図書館についてですが、いくら司書が整理すると言っても徐々に図書館の整理は崩れていきます。これがエントロピーの増大則にあたるものです。

以上が、熱力学第二法則になります。
エネルギーの移動と質の2つをしっかりと押さえておきましょう。
理系学部に進むと、より詳しい計算式を伴った理論を習います。
概念としては難しいものですが、言い換えてみるとそこまで難しいものではありませんので、しっかり自分の中で消化するようにしてください。