熱力学は、熱と他の形態のエネルギーとの関係を扱う物理学の一分野です。 特に、熱エネルギーが他の形態のエネルギーとの間でどのように変換され、それが物質にどのように影響するかを説明しています。
熱エネルギーは、物質または系がその温度に起因するエネルギー、すなわち、分子を動かすか振動させるエネルギーであり、テキサス州教育機関のEnergy Education websiteによると、熱エネルギーは、物質または系がその温度に起因するエネルギーである。 Missouri Southern State Universityの物理学教授であるDavid McKeeによると、熱力学はこのエネルギーを測定することを含みますが、これは「非常に複雑」になる可能性があります。 「私たちが熱力学で研究しているシステムは、複雑な方法で相互作用する非常に多数の原子または分子で構成されています。 しかし、これらのシステムが平衡と呼ばれる適切な基準を満たす場合、それらは非常に少数の測定値または数値で記述することができます。 多くの場合、これはシステムの質量、システムの圧力、およびシステムの体積、または他の同等の数のセットとして理想化されます。 3つの数値は、1026または1030の名目上の独立変数を表します。”
熱
熱力学は、物質のいくつかの特性に関係しています。 熱は、エネルギー教育によると、それらの間の温度差のために物質またはシステム間で伝達されるエネルギーである。 エネルギーの一形態として、熱は保存される、すなわち、作成されるか、または破壊されることができない。 しかし、それはある場所から別の場所に転送することができます。 熱はまた、他の形態のエネルギーとの間で変換することもできる。 例えば、蒸気タービンは、熱を運動エネルギーに変換して、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を稼働させることができる。 電球は、この電気エネルギーを電磁放射（光）に変換することができ、これは表面に吸収されると熱に変換されます。
温度
エネルギー教育によると、物質によって伝達される熱の量は、運動中の原子または分子の速度と数に依存します。 原子や分子が速く動くほど、温度が高くなり、運動している原子や分子が増えるほど、移動する熱の量が大きくなります。American Heritage Dictionaryによると、温度は「物質のサンプル中の粒子の平均運動エネルギーの尺度であり、標準スケールで指定された単位または度で表されます」。
温度は、 最も一般的に使用される温度スケールは摂氏であり、これは水の凍結点と沸点に基づいており、0℃と100℃のそれぞれの値を割り当てます。 華氏スケールはまた、それぞれ32Fと212Fの値を割り当てた水の凍結点と沸点に基づいています。
しかし、世界中の科学者は、ケルビン（度記号のないK）スケールを使用しています。 このスケールは摂氏スケールと同じ増分を使用します、すなわち、1Cの温度変化は1Kに等しいですが、ケルビンスケールは絶対零度から始まり、熱エネルギーが完全になく、すべての分子運動が停止する温度です。 0Kの温度はマイナス459.67Fまたはマイナス273.15Cに等しい。
比熱
Wolfram Researchによると、ある物質のある質量の温度を一定量上昇させるのに必要な熱量は比熱、または比熱容量と呼ばれている。 これのための慣習的な単位はケルビンごとのグラムごとのカロリーである。 カロリーは、1グラムの水の温度を4℃で1度上げるのに必要な熱エネルギーの量として定義されます。
金属の比熱は、質量ではなく、試料中の原子の数にほぼ完全に依存します。 例えば、アルミニウムのキログラムは、鉛のキログラムよりも約七倍多くの熱を吸収することができます。 しかし、鉛原子は、アルミニウム原子の同数よりも約8％多くの熱を吸収することができます。 しかし、与えられた質量の水は、同じ質量のアルミニウムの約5倍の熱を吸収することができます。 ガスの比熱はより複雑であり、それが一定の圧力または一定の体積で測定されるかどうかに依存する。
熱伝導率
熱伝導率（k）は、”単位距離あたり一度の温度勾配を持つ単位面積を単位時間あたりに流れる熱の量として表される、指定された材料を Kの単位はケルビン(K)ごとのメートル(m)ごとのワット(W)である。 銅および銀のような金属のためのkの価値はそれぞれ401および428W/m·Kで比較的高いです。 この特性はこれらの材料を熱をすぐに運び、環境と交換してもいいのでコンピュータ破片の自動車ラジエーターそして冷却ひれのために有用にさせる。 任意の天然物質のkの最高値は2,200W/m·K.
他の材料は、熱の導体が非常に貧弱であるため有用であり、この特性は熱抵抗またはr値と呼ばれ、熱が材料を通 これらの材料は、岩綿、ガチョウおよび発泡スチロールのような外部の建物の壁、冬のコートおよび熱コーヒー-マグで絶縁材のために、使用される。 R値は、厚さ1インチのスラブの英国熱単位（ft2*°F·h/Btu）あたりの平方フィート時間華氏時間時間の単位で与えられます。
ニュートンの冷却の法則
1701年、サー-アイザック-ニュートンは、王立協会の哲学的取引の中で”Scala graduum Caloris”（”A Scale of the Degrees of Heat”）と題された短い記事で彼の冷却の法則を最初に述べた。 ニュートンの法律の声明は、元のラテン語から”熱の程度の過剰”と翻訳されています。.. 時間が算術的な進行にあるときに幾何学的な進行にあった。”ウースター工科大学は、温度の変化率は、オブジェクトの温度と周囲の環境の温度の差に比例する”として、法律のより現代的なバージョンを提供します。”
これにより、温度差が指数関数的に減衰します。 例えば、暖かい物体が冷たい浴に置かれた場合、一定の時間内に温度の差が半分に減少する。 その後、同じ時間の長さで、残りの差は再び半分に減少します。 この繰り返しの温度差の半減は、測定するには小さすぎるまで等しい時間間隔で継続されます。
熱伝達
熱は、伝導、対流、放射の三つの異なる手段によって、ある身体から別の身体へ、または身体と環境との間で伝達することができます。 伝導は、固体材料を介したエネルギーの移動である。 身体間の伝導は、それらが直接接触しているときに起こり、分子はそれらのエネルギーを界面を横切って伝達する。
対流とは、流体媒体との間で熱を移動させることです。 固体と接触している気体または液体中の分子は、その物体との間で熱を伝達または吸収し、その後離れて移動し、他の分子が所定の位置に移動してプ 効率は、放熱器と同様に加熱または冷却される表面積を増加させ、ファンと同様に流体を表面上に移動させることによって改善することができる。
放射は、電磁エネルギー（EM）、特に熱エネルギーを運ぶ赤外光子の放出です。 すべての物質は、いくつかのEM放射を放出し、吸収し、その正味量は、これが熱の損失または利得を引き起こすかどうかを決定する。
カルノーサイクル
1824年、Nicolas Léonard Sadi Carnotは、カルノーサイクルとして知られるようになったものに基づいて熱機関のモデルを提案しました。 このサイクルは、ガスの圧力、体積、温度の関係、およびエネルギーの入力がどのようにして形を変え、システムの外で働くことができるかを利用します。
ガスを圧縮すると温度が上昇し、環境よりも熱くなります。 熱は熱交換器を使用して熱いガスからそれから取除くことができます。 その後、それが拡大することを可能にすると、それが冷却されます。 これは暖房、空気調節および冷凍のために使用されるヒートポンプの後ろの基本原則です。
逆に、ガスを加熱すると圧力が上昇し、膨張します。 従って膨張圧力がピストンを運転するのにそれから使用することができ運動エネルギーに熱エネルギーを変える。 これは熱機関の背後にある基本的な原則です。
エントロピー
すべての熱力学系は廃熱を発生させます。 この廃棄物はエントロピーの増加をもたらし、閉鎖されたシステムでは、American Heritage Dictionaryによると、「仕事をするために利用できない熱エネルギーの量の定量的尺度」で 閉じたシステムのエントロピーは常に増加し、減少することはありません。 さらに、可動部分は摩擦による不用な熱を作り出し、放射熱はシステムから必然的に漏ります。
これは、いわゆる永久運動機械を不可能にする。 ミズーリ州立大学の物理学の教授であるSiabal Mitraは、”100パーセント効率のエンジンを構築することはできません。 しかし、まだそれを信じていない多くの人々がそこにあり、まだ永久運動マシンを構築しようとしている人々がいます。”
エントロピーはまた、”閉じたシステムにおける無秩序またはランダム性の尺度”として定義され、これも容赦なく増加する。 温水と冷水を混ぜることはできますが、温水の大きなカップは、温水と冷水を含む二つの小さなカップよりも無秩序であるため、システムにエネルギーを加 別の言い方をすれば、あなたは卵を解読したり、コーヒーからクリームを取り除くことはできません。 いくつかのプロセスは完全に可逆的であるように見えますが、実際には実際にはありません。 したがって、エントロピーは時間の矢を提供します: 前方はエントロピーを増加させる方向です。
熱力学の四つの法則
熱力学の基本原理は、もともと三つの法則で表現されていました。 その後、より基本的な法律が無視されていたことが判明しました,それは明らかにそれが明示的に記載する必要はなかったように明白に見えたので、 ルールの完全なセットを形成するために、科学者たちは、この最も基本的な法律を含める必要があると判断しました。 しかし、問題は、最初の3つの法律がすでに確立されており、割り当てられた番号でよく知られていたことでした。 かなりの混乱を引き起こす既存の法律の番号を変更するか、論理的な意味をなさないリストの最後に著名な法律を置くという見通しに直面したとき、英国の物理学者、ラルフ-H-ファウラーは、ジレンマを解決する代替案を思いついた：彼は新しい法律を”ゼロの法律”と呼んだ。「簡単に言えば、これらの法則は次のとおりです：
ゼロの法則は、二つの体がある第三の体と熱平衡にある場合、それらも互いに平衡にあると述べています。 これは、物質の基本的かつ測定可能な特性として温度を確立する。
最初の法則は、システムのエネルギーの合計増加は、熱エネルギーの増加にシステムで行われた作業を加えたものに等しいと述べています。 これは、熱はエネルギーの一形態であり、したがって保存の原則の対象であると述べている。
第二法則では、熱エネルギーを加えることなく、より低い温度の体からより高い温度の体に熱エネルギーを移すことはできないと述べています。 これは、エアコンを実行するためにお金がかかる理由です。
第三の法則は、絶対零度における純粋な結晶のエントロピーはゼロであると述べている。 上記のように、エントロピーは”廃棄エネルギー”、すなわち仕事をすることができないエネルギーと呼ばれることがあり、絶対零度には熱エネルギーは一切存在しないため、廃棄エネルギーは存在しない。 エントロピーはまた、システム内の無秩序の尺度であり、完全な結晶は定義上完全に秩序づけられているが、温度の正の値は、結晶内に運動があることを意味し、それが無秩序を引き起こす。 これらの理由から、エントロピーが低い物理システムは存在しないため、エントロピーは常に正の値を持ちます。
熱力学の科学は何世紀にもわたって開発されており、その原理はこれまでに発明されたほぼすべてのデバイスに適用されます。 現代の技術におけるその重要性は誇張することはできません。
その他のリソース
- 科学の歴史の中で最も偉大な心のいくつかは、熱力学の発展に貢献してきました。 この分野の著名な先駆者のリストは、ウォータールー大学のウェブサイトで見つけることができます。
- エネルギー教育は、中等学校の科学学生のためのインタラクティブなカリキュラム補足です。
- Eric Weissteinの科学の世界には、天文学、科学伝記、化学、物理学の百科事典が含まれています。
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