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2016年2月28日 (日)

熱は最も『質』の低いエネルギーである

エネルギーという言葉は誰もがよく使う言葉ではあるが、その実態は意外に知らないで使っているケースも多い。今日は、そのあたりをわかりやすく解説しているサイト(=リンク)から、まず『熱』に関する部分を紹介する。

            【以下引用】

 エネルギーには電気や仕事や熱など色々な種類がありますが、仕事や電気などのエネルギーはその100%を熱に変換することができます。
 しかし、熱からはその100%を仕事や電気などのエネルギーに変換することは本質的にできません。そのために、いろいろな種類のエネルギーはどうしても最終的に熱に変換されやすくなります。

 また、熱でも高温だったり、常温よりも低い温度だったりすると利用価値は高くなりますが、これらの熱はなにもしないで放置しておくと常温の熱と混ざり合って自然に利用価値の低い熱になってしまいます。
 例えば、高温の水と低温の水を同じ容器に入れておくと、かき混ぜなくても自然に混ざり合って全体が同じ温度の水になってしまいますが、その逆はありません。容器の中に水道水を入れておいたら自然に温度の高い部分と低い部分ができたという経験をした人はいないはずです。

 すなわち、エネルギーにはいろいろな種類がありますが、そのいろいろな種類のエネルギーのなかに、他の種類のエネルギーに変換されにくい「熱」というエネルギーもあるために、エネルギーの移動や変換に方向性(進みやすい方向)がでてきてしまいます。

             (中略)

 熱や化学エネルギーのように、エネルギーであるにもかかわらず、また総量が同一でも有効利用しやすさに差があるのであれば、その様子を定量的に把握したいと思うのは当然です。そこで有用になるのが「エントロピー」というものです。言い換えれば、熱について議論するときには避けることができないものなのです。

             (中略)

 エントロピーが増加すると利用価値の高いエネルギーが減少してきます。化石燃料と空気の組み合わせが持っている化学エネルギーを仕事(電気)に変換しようと操作している際に、熱や物質を構成している粒子がばらばらになろうとして、エントロピーが増加することが避けられないようです。

             (中略)

 前にも記しましたが、熱の本質は分子運動であり、ある一つの温度の熱に注目すると、分子の運動の強さも、分子の運動の方向性(どの方向を向いて運動しているか)も、渾然と(場所による分布を持たずに)混ざり合っています。

 分子運動の強さも方向性も、分布をもたずに混ざり合っていたら、出現する確率が高くなっており(安定になってしまっており)、もはや変化をしないのは当然です。
 言い換えれば、熱というエネルギーは本質的に安定になっている(変化しにくい)特徴をもっています。

 分子運動の方向性に関しては、どんなことをしても、方向を揃えたもの同士を集めて分布をもたせ、不均一にすることはできませんので、この部分の安定性は崩す方法は見当たりませんが、分子運動の強さは、温度の違う熱と組み合わせることで分布をもたせて不均一にすることができます。

 よって、温度の違う熱源を揃えれば、分子運動の強さだけは不安定にさせることができ(変化をさせることができるようになり)、熱の一部を仕事などに変換することができるようになります。

 別の見方をすれば、高温の熱が本質的に持っている安定な部分(変化させることができない部分)を捨て去るためのゴミ箱が低温の熱源だ、とも考えることができます。

            【引用以上】

「エネルギーの中で『熱』は価値が低い」ということは以前聞いたことがあったが、他のエネルギーへの変換が極めて困難だということがその理由であるようだ。同サイトには、核反応が最も『質』の高いエネルギーであり、核反応が加わるとエネルギー保存則が成立しないという見解も載っていたので、次回はそちらを紹介する。



匿名希望
 

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