Warming Up: Heat & Thermodynamics
熱と熱力学は、熱をエネルギーの移動の形態として、およびエネルギー変換を支配する熱力学の法則として研究されます。熱は温度差によってエネルギーを移動させ、熱力学の法則は、エネルギー、仕事、エントロピーの振る舞いを規定し、エンジンの効率、氷の融解、さらには宇宙の運命といったプロセスの理解のための枠組みを提供します。
Heat & Thermodynamics の概要
熱と熱力学は、エネルギーの振る舞いの主要な概念と原理によって定義されます。以下に分解を示します：
- 熱の移動: 温度差による熱エネルギーの移動。伝導、対流、放射によって。
- 熱力学第一法則: エネルギー保存則—エネルギーは生成または破壊されません、単に移動または変換されます (ΔU = Q - W)。
- 熱力学第二法則: 孤立した系のエントロピーは増加します—熱は高温から低温に自発的に移動します。
- 熱力学第三法則: 絶対温度（0 K）に近づくにつれて、系のエントロピーは最小値に近づきます。
Heat & Thermodynamics の例
Heat Transfer の例
- 伝導: 熱が移動する金属製のスプーンは、熱がスープから伝導されることで暖かくなります。
- 対流: 加熱された部屋で暖かい空気が上昇し、対流電流を作成します。
- 放射: 熱は、宇宙を横断する電磁波を通して太陽が地球を暖めます。
First Law of Thermodynamics の例
- ガソリンエンジンでは、500 J の熱 (Q) が加えられ、200 J の仕事 (W) が行われ、内部エネルギーが 300 J (ΔU = Q - W) 増加します。
- 氷の塊が1000 J の熱を吸収し、仕事は行われず、内部エネルギーが 1000 J 増加します。
- 300 J の仕事で圧縮されたガスを圧縮し、100 J の熱を失うと、内部エネルギーが 200 J 減少します。
Second Law of Thermodynamics の例
- 暖かい部屋で氷が溶ける—熱は部屋（高温）から氷（低温）に移動しますが、電気から仕事が必要です。
- 冷蔵庫は内部（低温）から外部（高温）に熱を移動しますが、電気から仕事が必要です。
- 車のエンジンは一部のエネルギーを熱として失い、周囲のエントロピーを増加させます。
Third Law of Thermodynamics の例
- 0 K では、完璧な結晶のエントロピーはゼロであり、分子運動は停止します。
- ヘリウムのエントロピーは絶対ゼロの近くで最小値に近づきますが、完全に 0 K に到達することはありません。
- ガスを 0 K の近くまで冷却すると、そのエントロピーは最小値に減少します。