エンタルピー、エントロピー、および熱力学の第二法則
以下の概念の基本的な理解を深めることが目的です。
内部エネルギーと熱力学第一法則
システムの循環過程と任意過程
可逆性と不可逆性
エントロピーとエンタルピー
熱力学第二法則
内部エネルギーと熱力学第一法則
システム内の分子のエネルギーがシステムの特性に関連している場合、それは内部エネルギー(u)と呼ばれます。
エネルギーは創造されないし、破壊されず、この原理に基づいてシステムの内部エネルギー(u)はエネルギーがシステムの境界を越えるときに変化します。
したがって、熱や仕事がシステムと相互作用するとき、熱力学第一法則は以下のように表現されます。
上記の式で、uは単位質量あたりの内部エネルギーであり、qとwはそれぞれ単位質量あたりの熱と仕事です。上記の式で採用されている符号規則は：
dq > 0 (正として考慮) ⇒ システムへの熱伝達
dq < 0 (負として考慮) ⇒ システムからの熱伝達 dw > 0 (正として考慮) ⇒ システムによって行われる仕事
dw < 0 (負として考慮) ⇒ システムに働く仕事
システムの循環過程と任意過程
熱力学第一法則の重要な形式の一つは、
上記の式を循環過程について積分することにより得られます。
システムが熱や仕事によるランダムな変化を経て元の状態に戻るとき、それは循環過程にあると言えます。
考えられる点は：
任意の状態プロパティ微分の積分はその限界の差です。
最終状態は元の状態と同じであり、システムの内部エネルギーには変化はありません。
したがって、
上記の式では、iとfが内部エネルギーの初期状態と最終状態を表しています。これを方程式(1)に代入すると、
方程式(2)は、システムによって行われたすべての仕事またはネットワークの積分がシステムに入ってきたすべての熱伝達の積分に等しいことを表しています。エンジニアリング熱力学は、システムと過程の概念をさらに探求します。
システムの任意過程
これは熱力学第一法則の結果であり、システムが任意過程を伴う場合、方程式(1)に関連しています。
この式では、qとwはそれぞれプロセスの総熱伝達と総仕事であり、ufとuiは内部エネルギー(u)の最終値と初期値です。剛体かつ孤立した断熱系(w = 0, q = 0)の場合、その内部エネルギー(u)は変化しません。そして、循環過程の方程式(2)から。
可逆性と不可逆性
システムが初期状態から最終状態に変化するとき、それはプロセスを経ていると言えます。圧力、体積、エンタルピー、温度、エントロピーなどのプロパティは、熱力学プロセス中に変化します。熱力学第二法則は、プロセスを以下の2つのカテゴリに分類します。
理想的または可逆的なプロセス
自然または不可逆的なプロセス
システムがプロセスを経ている場合、温度(t)と圧力(p)の変動が無限小であれば、そのプロセスは平衡状態に近いまたは可逆性に近づくと言えます。
プロセスが内部的に可逆であるとは、元の状態が逆方向に復元されることを意味します。
外部的に可逆であるとは、変化に伴う環境も順序を逆にして復元できることを意味します。
可逆プロセスとは、内部的にも外部的にも可逆であるプロセスのことです。
実際のプロセスの成功度を測るために、専門家は可逆プロセスを基準として、実際のプロセスを可逆性に近づけるために損失を減らし、プロセスの効率を高めます。
不可逆性
実際のプロセスが可逆性の要件を満たさない場合、そのプロセスは不可逆と呼ばれます。
不可逆プロセスでは、システムと周囲の初期状態を最終状態から元に戻すことはできません。エントロピーは不可逆プロセスで急激に増加し、その値は最終値から初期値に戻すことはできません。
不可逆性は、圧力、組成、温度、組成の変動（主に熱伝達、固体と液体の摩擦、化学反応による）によって引き起こされます。専門家は、プロセスや機構における不可逆性の影響を減らす努力を続けています。
エントロピーとエンタルピー
内部エネルギーと同様に、エントロピーとエンタルピーは熱力学的プロパティです。エントロピーは記号sで表され、エントロピーの変化ΔsはkJ/kg-Kで表されます。エントロピーは無秩序の状態を示します。エントロピーは、熱力学第二法則の主題であり、システムと周囲のエントロピーの変化を宇宙全体に対して説明します。
エントロピーは、システムの可逆的な熱力学的経路に対する絶対温度に対する熱伝達の比として定義されます。
ここで、qrevは可逆経路沿いの熱伝達を示します。
エンタルピー(h)は状態のプロパティであり、次のように定義されます：
ここで、hは特定のエンタルピー、uは特定の内部エネルギー、vは特定の体積、pは圧力です。
方程式(1)から：
したがって：
方程式(4)を微分し、それを上記の式に代入すると：
上記の両方の方程式は、可逆プロセスにおける内部エネルギーと体積の変化、またはエンタルピーと圧力の変化によるエントロピーの変化に関連しています。
これらの2つの式のすべての量は状態のプロパティであるため、エントロピーも熱力学的プロパティです。
熱力学第二法則
熱力学第二法則は、宇宙の可能性を制限するものとして知られています。第2法則は主に非効率性、劣化、および退化に対処しています。
私たちの日常生活で行う活動は、本質的に非効率的で不可逆的なプロセスを伴います。
第2法則は、エントロピーに関してより便利に表現できます：
エントロピーは、閉鎖系に入った熱(dqrev)と熱伝達が行われた場所での共通の温度(T)の比として定義されます。
熱力学第二法則は、「エントロピーの変化は非負である」と述べています。
または
宇宙のエネルギーは徐々に無秩序な状態に向かっています。
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