エネルギーの変換と保存

夏になるとクーラーを使いますが、これは涼しい室内から熱を取ってさらに涼しくし、取った熱を暑い室外に排出する装置です。一見、低温物体から高温物体に熱が移動したように思えますが、そこにはクーラーを稼働させた電気エネルギーの存在があります。電気の力が介在しているのです。ですので、熱力学第2法則をもう少し厳密にいうと、「まわりに何の変化も起こさずに、低温物体から高温物体に熱を移動させることはできない＊『クラウジウスの表現』あるいは『クラウジウスの原理』といいます。閉じる」となります。

さらにこれを別のいい方で表現しますと、「まわりに何の変化も起こさずに、熱をすべて仕事に換えることはできない＊『トムソンの表現』あるいは『トムソンの原理』といいます。閉じる」となります。熱は移動するときに必ず低い方へ流れるので、熱→仕事→熱→仕事→熱、と変換していくうちにどんどん低い方へ流れて行き、決して水平をキープできないのです。熱を100%仕事に変換することはできないのです。

このことを具体的に表現すると熱力学第2法則は、「第2種永久機関（下で説明）は存在しない＊『オストヴァルトの表現』あるいは『オストヴァルトの原理』といいます。閉じる」ともいえます。

熱力学第2法則

まわりに何の変化も起こさずに、低温物体から高温物体に熱を移動させることはできない。

まわりに何の変化も起こさずに、熱をすべて仕事に換えることはできない。

第2種永久機関は存在しない。

熱機関

熱を仕事に換える装置を熱機関といいます。自動車のエンジンや発電所の蒸気タービンのことです。

高温熱源から受け取った熱量を \(Q_1\) [J] 、低温熱源に放出した熱量を \(Q_2\) [J] とすると、熱機関が外部にした仕事 \(W\) [J] は、

このとき、高温熱源から得られた熱量をどのくらい仕事に換えられたかという割合を熱効率（熱機関の効率）といいます。\(e\) で表します＊ efficiency（効率）から閉じる。

熱効率

上で説明した熱力学第2法則により、\(e\) は 1 にはなりません。 0 にもなりません。熱量の保存は \(Q_1 = Q_2\) を表していますがこれは仕事をしないときの話です。つまり、\(e\) は必ず \(0 ＊熱効率において熱力学第1法則の式の \(ΔU\) が考慮されていませんが、これは熱効率というものが熱機関を永続的に運転したときの効率のことを指しているからです。熱機関を1回転だけさせた場合は内部の温度上昇（\(ΔU\)）を考慮すべきですが、この \(ΔU\) はいずれ外部に放出されるものであり、永続的に運転されている場合は \(Q_2\) に含まれます。エンジンの熱効率を調べるときは、スタート時とストップ時のことは考えず、スタートしてしばらくしてエンジンの温度が一定になってから測定し始め、温度が下がる前に測定を終了します。閉じる

永久機関

第1種永久機関

外部からエネルギーを得ずに、外部に仕事をし続ける機関を第1種永久機関といいます。もちろんこのような機関は存在しません。上で説明したエネルギー保存の法則（熱力学第1法則）に反します。

第2種永久機関

1つの熱源から熱を取り、すべて仕事に変換する機関を第2種永久機関といいます。熱効率100%の機関です。これももちろん存在しません。上で説明した熱力学第2法則に反します。