熱力学の法則

熱力学の法則は、蒸気機関からブラックホールに至るまで、あらゆる巨視的システムを支配するエネルギー、熱、エントロピーに関する普遍的な制約を、微視的な詳細とは無関係に述べるものである。

Definition

熱力学の法則は、巨視的システムにおけるエネルギーの交換と変換を制約し、温度、内部エネルギー、エントロピーという状態関数を定義する、経験的に裏付けられた普遍的な原理の集合である。

Scope

この分野では、古典熱力学の4つの基本的な法則を扱う。すなわち、熱平衡を介した温度の定義としてのゼロ番目の法則、熱と仕事をエネルギー伝達の形態とするエネルギー保存則としての第一法則、エントロピーと自発的過程の方向性を導入する第二法則、そして温度が絶対零度に近づく際のエントロピーの挙動を規定する第三法則である。これらの法則の定式化、それらの等価な表現（ケルビン-プランク、クラウジウス）、および熱機関と効率に対するそれらの帰結が含まれる。一方、それらから導かれるポテンシャルと微視的な統計的基礎は、それぞれの分野で扱われる。

Sub-topics

• 熱力学第一法則とエネルギー保存
• 熱力学第二法則とエントロピー
• 熱力学第三法則と絶対零度
• 熱力学第ゼロ法則と温度

Core questions

• ゼロ番目の法則は、どのようにして熱平衡を通じて温度を一貫して定義することを可能にするのか？
• 第一法則は、どのようにして熱と仕事を内部エネルギーを変化させる等価な手段として説明するのか？
• 第二法則は、なぜエントロピーの非減少を通じて時間に方向性を課すのか？
• 第三法則は、絶対零度の到達可能性とそこでのエントロピーの挙動について何を意味するのか？

Key concepts

• 熱平衡と経験的温度
• 内部エネルギー、熱、仕事
• エントロピーと不可逆性
• 熱機関、カルノーサイクル、効率
• 絶対零度と到達不能の原理

Key theories

第一法則（エネルギー保存則）

閉鎖系の内部エネルギーは、系に加えられる熱または系によってなされる仕事によってのみ変化する。dU = dQ - dWであり、これによりエネルギーは保存される状態関数として確立される。

第二法則とカルノーの原理

いかなる循環過程も熱を完全に仕事に変換することはできない。2つの熱源間で動作する熱機関の最大効率はそれらの温度によって決定され、孤立系においてエントロピーは決して減少しない。

Clinical relevance

熱力学の法則は、すべてのエンジン、冷蔵庫、発電所の効率限界を設定し、化学的および生物学的エネルギー論の基礎となり、時間の矢と物理システムの究極の運命に関する深い問いを提起する。

History

カルノーによる1824年の熱機関の分析から生まれ、熱力学は1850年代にクラウジウスとケルビンが第一法則と第二法則を定式化し、クラウジウスがエントロピーの概念を提唱したことで形作られた。ネルンストは20世紀初頭に第三法則を追加した。

Key figures

• Sadi Carnot
• Rudolf Clausius
• William Thomson (Lord Kelvin)

Seminal works

• carnot1824
• callen1985
• fermi1956

Frequently asked questions

なぜ「ゼロ番目の」法則と呼ばれるのか？

それは、第一法則と第二法則が命名された後に初めて、それらよりも論理的に先行することが認識されたため、確立された名称を維持しつつ、それが温度の定義そのものの基礎となることを認めるためにゼロ番とされた。

第二法則はエントロピーの局所的な減少を禁じるのか？

いいえ。冷蔵庫が内部を冷却するように、システムの一部ではエントロピーが減少することがある。ただし、システムとその周囲の総エントロピーが減少しない限りにおいてである。