熱力学第二法則に関する記事
自然界で起こる全てのプロセスは一方向にしか起こらず、逆方向には起こりません。これは通常、不可逆プロセスと呼ばれます。茎から放出された後、 自由落下 マンゴーが地面に落ちると、二度と元の位置に戻ることはありません。押して止めた本も、二度と手前に戻ってくることはありません。高温の物体（熱い物体）を低温の物体（冷たい物体）に接触させると、熱は自然に高温の物体から低温の物体へと流れます。熱が自然に冷たい物体から熱い物体へと移動する逆の過程は、決して起こりません。もしそのような過程が起こったとしたら、冷たい物体は冷たくなり、熱い物体は熱くなるはずです。しかし、実際にはそうではありません。互いに異なって見える不可逆的な過程は数多くありますが、それらはすべてエネルギーの形態の変化と、ある物体から別の物体へのエネルギーの伝達を伴います。
例えば、強い地震で建物が倒壊したとします（建物は地震波のエネルギーによって倒壊します）。倒壊した建物の各部分が元通りに元通りに直立するのを見たことがありますか？あるいは、例えば、グラスが床に落ちて割れたとします。床に散らばったガラスの破片が再び集まって、元のグラスに戻るのを見たことがありますか？そんなことは一度もありません。他にも例はたくさんあります。
一方向にしか起こらない熱力学的プロセス（不可逆プロセス）を説明するために、科学者たちは熱力学第二法則を定式化した。熱力学第二法則は、宇宙で起こりうるプロセスと起こりえないプロセスを説明する。RJEという名の科学者が クラウジウス （1822年 - 1888年）は次のような声明を発表した。
熱は高温の物体から低温の物体へ自然に移動しますが、低温の物体から高温の物体へ自然に移動することはありません（熱力学第二法則 – クラウジウスの法則）。
クラウジウスの法則は、熱力学第二法則の特殊な表現です。特殊な表現と呼ばれるのは、熱伝達という一つの過程にのみ適用されるためです。この法則は他の過程には適用されないため、より一般的な表現が必要となります。熱力学第二法則の一般的な表現の発展は、熱機関の研究に一部基づいています。したがって、まずは熱機関について議論します。
熱機関
私たちが使用するエネルギーの多くは、石油、ガス、石炭に含まれる化学ポテンシャルエネルギーに由来します。石油、ガス、石炭に含まれる化学ポテンシャルエネルギーは直接使用することはできません。石油、ガス、石炭はまず燃焼させる必要があります。一般的に、化石燃料（石油、ガス、石炭）を燃焼させると熱が発生します。熱は、食べ物を調理したり、部屋を暖めたりするために直接使用できます。何かを動かす（例えば、乗り物を動かす）には、熱を運動エネルギーまたは機械エネルギー（機械エネルギー＝ポテンシャルエネルギー＋運動エネルギー）に変換する必要があります。機械エネルギーを熱に変換するのは非常に簡単ですが、熱を機械エネルギーに変換するのは困難です。両手のひらをこすり合わせてみてください…手のひらは熱くなりますよね？手のひらをこすり合わせる（仕事をする）と、機械エネルギーが熱に変換されます。このプロセスは非常に簡単です…仕事をすることで無限の熱さえも生み出すことができます。しかし、その逆のプロセス、つまり熱を使って仕事をするのは困難です。
熱を利用して仕事をする装置が発明されたのは1700年のことでした。その装置とは蒸気機関です。蒸気機関は当初、炭鉱から水を汲み出すために使用されました。重要なのは、蒸気機関が初めて使用された当時、科学者たちは熱が実際には温度差によって伝達されるエネルギーであることを知る前だったということです（熱力学第一法則はまだ定式化されていませんでした）。
当時蒸気機関が使われていたのは、蒸気で物を動かすことができるという日常的な経験に基づいていたと考えられます。蒸気機関は熱機関（熱機関とは、熱を機械エネルギーに変換する装置）の一種です。今日では、蒸気機関は電気エネルギーの生成に使われています。現代の熱機関は内燃機関（自動車のエンジン、オートバイのエンジンなど）です。
熱機関の基本的な考え方は、熱が高温領域から低温領域へ流れる場合にのみ、熱を機械エネルギーに変換できるというものです。この過程で、熱の一部は機械エネルギーに変換され（熱の一部は仕事に利用され）、残りの熱は低温領域へ放出されます。熱機関におけるエネルギー変換とエネルギー伝達の過程を図に示します。
高温（TH）および低温（TL）はエンジン作動温度とも呼ばれます。高温の場所から流れ出る熱は記号Qで表されます。H低温の場所に放出される熱は、記号Qで表される。L. 高温の場所から低温の場所へ流れるとき、Qの一部はH 機械エネルギー（仕事をするために使われるエネルギー）に変換され、その一部はQとして放出される。L実際、私たちはすべてのQがH はWに変換できるが、日常的な経験からこれは不可能であることがわかる。常にいくらかの熱が失われる。したがって、エネルギー保存の法則に基づいて、QはWに変換できると結論付けられる。H = W + QL.
それでは、熱を機械エネルギーに変換するために一般的に用いられる熱機関について見ていきましょう。ここで重要なのは、連続的に仕事をする熱機関のみを考察するということです。仕事を連続的に行うためには、熱が高温領域から低温領域へと連続的に流れる必要があります。熱が一度しか流れない場合、熱機関が行う仕事も一度しか行われません（生成される機械エネルギーは非常に小さくなります）。したがって、熱機関を最適に利用することはできません。熱機関を最適に利用できるのは、連続的に仕事をする場合です。言い換えれば、熱機関が生成する機械エネルギーが、何かを動かすのに十分な量である場合です。
蒸気機関
蒸気機関は、熱伝達媒体として水蒸気を利用します。蒸気は蒸気機関の作動物質と呼ばれます。蒸気機関には、往復動式蒸気機関とタービン式蒸気機関（蒸気タービン）の2種類があります。設計は若干異なりますが、どちらも石油、ガス、石炭、または原子力エネルギーを燃焼させて加熱した蒸気を使用するという共通点があります。
往復動式蒸気機関
容器内の水は通常、高圧下で加熱されます。高圧下で加熱されるため、沸騰は高温で起こります。温度は圧力に正比例します。蒸気の温度が高いほど、蒸気圧も高くなります。この高温高圧の蒸気は入口弁を通ってピストンに押し付けられ、膨張します。蒸気が膨張すると、ピストンが右方向に移動します。
蒸気の熱の一部は運動エネルギーに変換されます。ピストンが右に移動すると、ピストンに接続された車輪が回転します（1）。半回転すると、車輪はピストンを元の位置に戻します（2）。ピストンが左に移動すると、吸気弁は自動的に閉じ、排気弁は自動的に開きます。蒸気は凝縮器で凝縮され、露になります。次に、凝縮器内の水は容器に戻され、再び沸騰します。以下同様です。このプロセスが繰り返し行われるため、ピストンは右と左に連続的に移動します。ピストンが右と左に連続的に移動するため、車輪も連続的に回転します。車輪の回転は通常、何かを動かすために利用されます。
蒸気タービン
蒸気タービンの作動原理は、基本的に往復動蒸気機関と同じです。違いは、往復動蒸気機関がピストンを使用するのに対し、蒸気タービンはタービンを使用する点です。往復動蒸気機関では、まず熱がピストンの並進運動エネルギーに変換されます。その後、ピストンの並進運動エネルギーが回転する羽根の回転運動エネルギーに変換されます。蒸気タービンでは、熱が直接タービンの回転運動エネルギーに変換されます。タービンは圧力差によって回転します。羽根の上の蒸気の温度は、羽根の下の蒸気の温度よりもはるかに高くなっています。羽根はタービンの中心にある薄い板です。温度は圧力に比例します。羽根の上の蒸気の温度が羽根の下の蒸気の温度よりも高いため、羽根の上の蒸気圧は羽根の下の圧力よりも高くなります。この圧力差によって蒸気が羽根を下方に押し下げ、タービンが回転します。タービンの回転方向は図に示されています。
蒸気機関の作動原理は、上述のエネルギー伝達図に基づいていることに注意が必要です。この場合、高温の物体または場所から低温の物体または場所へ熱を流すことで、機械エネルギーが発生します。したがって、蒸気機関においては温度差が不可欠です。
往復式蒸気機関の仕組みをよく観察すると、温度差がない（凝縮器やポンプがない）にもかかわらず、ピストンが左右に動くことがわかります。ピストンが右に動くのは、高温高圧の蒸気が膨張するためです。この場合、蒸気の熱の一部がピストンの並進運動エネルギーに変換されます。このピストンの並進運動エネルギーは、回転する車輪の回転運動エネルギーに変換されます。車輪が半回転すると、ピストンは左に押し戻されます。車輪がピストンを左に押し戻すと、車輪の回転運動エネルギーが再びピストンの並進運動エネルギーに変換されます。ピストンが左に動くと、シリンダー内の蒸気が押し出されます。同時に、排気弁が開きます。
このように、ピストンによって押し出された蒸気は、排気弁の下にあるもう一方の蒸気を押し出します。ここで、排気弁の下の蒸気の温度がピストンによって押し出された蒸気の温度と等しい場合、ピストンの並進運動エネルギーはすべて蒸気の内部エネルギーに変換されます。内部エネルギーは温度に正比例します。蒸気の内部エネルギーが増加すると、蒸気の温度が上昇します。温度は圧力に正比例します。蒸気の温度が上昇すると、蒸気の圧力も上昇します。したがって、排気弁から放出される蒸気の圧力は、吸気弁から流入する蒸気の圧力と等しくなります。ピストンは左右に連続的に動き続けますが、利用できる運動エネルギーの総量はなくなります（仕事の総量は発生しません）。したがって、膨張過程（ピストンが右に移動する）中にピストンが受け取った運動エネルギーは、圧縮過程（ピストンが左に移動する）中に蒸気に戻されます。
蒸気機関では温度差が必要であることが結論付けられます。蒸気機関におけるこの温度差は、凝縮器を利用することで実現できます。排気弁下の蒸気の温度と圧力がシリンダー内の蒸気の温度と圧力よりもはるかに低い場合、ピストンが左に戻ると、ピストンが蒸気に及ぼす圧力は、ピストンが右に動くときに蒸気がピストンに及ぼす圧力よりもはるかに小さくなります。言い換えれば、ピストンが蒸気に対して行う仕事量は、蒸気がピストンに対して行う仕事量よりもはるかに小さくなります。したがって、ピストンの運動エネルギーのごく一部だけが蒸気に戻されます。その結果、総運動エネルギーまたは総仕事量が生じます。この総運動エネルギーは、何かを動かすために使用されます。
内燃機関
オートバイや自動車のエンジンは、内燃機関の例です。燃焼プロセスが密閉されたシリンダー内で起こるため、内燃機関と呼ばれています。内燃機関は、前述のトピックで説明したように、断熱圧縮と断熱膨張の概念を用いた工学技術の成果です。 熱力学第一法則.
ここでは、ガソリンとディーゼルを燃料とする内燃機関のみを考察します。ガソリンとディーゼルは石油製品であり、化学ポテンシャルエネルギーを持っています。ガソリンとディーゼルの化学ポテンシャルエネルギーは、まず燃焼過程によって熱に変換されます。燃焼によって発生した熱は、次に機械エネルギーに変換されます。この機械エネルギーによって、オートバイや自動車が動きます。ガソリンエンジンのサイクルはオットーサイクルと呼ばれ、ディーゼルエンジンのサイクルはディーゼルサイクルと呼ばれます。サイクルとは、可逆的な熱力学的過程のことです。まず、オットーサイクルについて説明しましょう。
オットーサイクル
これは4ストローク内燃機関の図です。ピストンが下降する（吸気行程）と、キャブレターから空気とガソリン蒸気の混合気がシリンダー内に流れ込みます。シリンダー内の空気とガソリン蒸気の混合気は、ピストンが上昇する（圧縮行程）と断熱圧縮されます。断熱圧縮されるため、混合気の温度と圧力が上昇します。同時に、点火プラグが混合気に点火し、燃焼が始まります。燃焼すると、ガスの温度と圧力が上昇します。高温高圧のガスはピストンに押し付けられて膨張し、ピストンを下方へ押し下げます（膨張行程）。燃焼したガスは排気弁から排気管へと排出されます（排気行程）。吸気弁が再び開き、4つの行程が繰り返されます。
断熱圧縮行程の目的は、空気とガソリンの蒸気混合物の温度と圧力を上昇させることであることに注意することが重要です。高圧下での燃焼は非常に高い温度と圧力を生み出します。その結果、膨張過程で発生する推力（F = PA）は非常に大きくなります。これにより、オートバイや自動車のエンジンはより強力になります。圧縮がなくても、点火プラグが火花を発生させると、空気とガソリンの蒸気混合物は着火します。しかし、燃焼ガスの温度と圧力はそれほど高くないため、発生する推力も小さくなります。結果として、エンジンの出力は低下します。
4ストローク内燃機関におけるエネルギー変換とエネルギー伝達のプロセスは、次のように説明できます。燃焼中、ガソリンの化学ポテンシャルエネルギーと空気のエネルギーが熱に変換されます。その熱の一部はピストンロッドとクランクシャフトの機械エネルギーに変換され、残りは排気管から放出されます。ピストンロッドとクランクシャフトの機械エネルギーの大部分は車両の機械エネルギー（車両の運動）に変換され、ごく一部が熱に変換されます。熱は摩擦によって発生します。
オットーサイクルにおける断熱膨張および圧縮過程は、以下の図で示すことができます。この図は、ガソリンを燃料とする内燃機関で発生する熱力学的過程を理想化したモデルです。
空気とガソリン蒸気の混合物がシリンダーに入ります（a）。次に、空気とガソリン蒸気の混合物が断熱的に圧縮されます（a-b）。シリンダーの体積が減少することに注意してください。空気とガソリン蒸気の混合物は一定体積で加熱され、燃焼します（b-c）。燃焼したガスは断熱膨張します（c-d）。一定体積で冷却され、燃焼したガスは排気管に排出され、空気とガソリン蒸気の新しい混合物がシリンダーに入ります（d-a）。
空気とガソリン蒸気の混合物がシリンダーに入ります（a）。次に、空気とガソリン蒸気の混合物が断熱的に圧縮されます（a-b）。シリンダーの体積が減少することに注意してください。空気とガソリン蒸気の混合物は一定体積で加熱され、燃焼します（b-c）。燃焼したガスは断熱膨張します（c-d）。一定体積で冷却され、燃焼したガスは排気管に排出され、空気とガソリン蒸気の新しい混合物がシリンダーに入ります（d-a）。
ディーゼルサイクル
ディーゼルエンジンの作動原理はガソリンエンジンと似ています。違いは、最初の断熱圧縮ステップにあります（断熱圧縮とは、熱がシステムに出入りする時間がないほど速く圧縮することです。この場合のシステムはシリンダーです）。ガソリンエンジンでは空気とガソリン蒸気の混合物が圧縮されますが、ディーゼルエンジンでは空気のみが圧縮されます。断熱圧縮により、空気の温度と圧力が上昇します。次に、インジェクター（噴射装置）がディーゼル燃料を噴射します。空気の温度と圧力がすでに非常に高いため、ディーゼル燃料がシリンダー内に噴射されると、ディーゼル燃料はすぐに着火します。点火プラグは必要ありません。下の図に示されている圧力値に注目してください。 Bオットーサイクル図に示されている圧力の大きさと比較してください。
この図は理想的なディーゼルサイクルを示しています。まず、空気が断熱的に圧縮され（a-b）、次に一定圧力で加熱されます。インジェクターがディーゼル燃料を噴射し、燃焼が起こります（b-c）。燃焼ガスは断熱膨張し（c-d）、一定体積で冷却されます。燃焼ガスは排気管から排出され、新鮮な空気がシリンダーに入ります（d-a）。
上記の説明に基づくと、各熱機関は基本的に特定の作動物質を持っていると結論付けられる。蒸気機関の作動物質は水、ガソリン機関の作動物質は空気とガソリン蒸気、ディーゼル機関の作動物質は空気とディーゼル燃料である。作動物質は通常、高温（Q）で熱を吸収する。H) 仕事 (W) を行い、その後、より低い温度 (Q) で残りの熱を放出するLエネルギーは保存されるため、QH = W + QL.
熱機関の効率
熱機関の効率（e）は、機関が行う仕事（W）と高温での熱入力（Q）との比である。H数学的には次のように表すことができます。
Wは我々が得る利益であり、Qは我々が得る利益である。H は、燃料を購入して燃焼させるために発生するコストです。常に最大の利益と最小の支出を望む人間として、私たちは得られる利益（W）が、発生するコスト（QH）に見合うことを切に願います。それは可能でしょうか？
エネルギー保存の法則に基づくと、入力熱量（Q）H）は、行われた仕事（W）＋放出された熱（Q）に等しくなければならない。L数学的には：
熱機関の効率をパーセントで表すには、効率の式に100%を掛けるだけです。上記の効率の式に基づくと、放出される熱量が多いほど（Q）L熱機関によって放出される熱量（Q）は、熱機関の効率が低いほど大きくなります。L熱入力（Q）はできるだけ少なくする。H）は通常、石油、石炭、ガスなどを燃焼させることによって得られます（私たちが料金を支払っている燃料）。
したがって、あらゆる熱機関は基本的に可能な限り効率を高めるように設計されています。私たちは最小限の費用で最大限の利益を得たいと願いますが、実際には蒸気機関の効率は約40%、内燃機関は約50%です。つまり、燃料の燃焼によって発生する熱の半分は無駄になり、機械エネルギーに変換されるのは半分に過ぎません。
例題1：
熱機関は3000ジュール（Q）の熱を吸収するH仕事（W）を行い、2500ジュールの熱（Q）を放出する。L熱機関の効率はどれくらいですか？
討論
例題2：
熱機関は3000ジュール（Q）の熱を吸収するH仕事（W）を行い、2000ジュールの熱（Q）を放出する。L熱機関の効率はどれくらいですか？
討論
例題3：
熱機関は3000ジュール（Q）の熱を吸収するH仕事（W）を行い、1500ジュールの熱（Q）を放出する。L熱機関の効率はどれくらいですか？
討論
