エネルギーは一度熱になってしまうと、そのままでは他の形態に変換することができない。運動する物体は、摩擦やブレーキによって運動エネルギーを熱に変えることができる。一度熱になったエネルギーを再びかき集めてきて、元の運動エネルギーに戻すことはできない。これは一方通行!上に、振り子は位置エネルギーと運動エネルギーをやりとりする過程だと書いた。現実の振り子は摩擦や空気抵抗によって、エネルギーを少しずつ熱に転じている。振り子は少しずつ運動エネルギーを失い、全てのエネルギーが熱に転じた時点で停止する。上のエネルギー変換の例で、損失無しに完全に元に戻るものは現実的にはほとんどない。どこかに摩擦、損失、抵抗といったものが入り込んできて、エネルギーを少しずつ熱に変えているのである。逆の過程を経ることによって元の状態に戻れるような過程を「可逆過程」、それに対して逆の過程が無く、一方通行にしか進行しないような過程を「不可逆過程」と言う。熱以外の形態間のエネルギー変換は可逆過程であり、熱に変わる変化は不可逆過程である。実際には、超伝導のような特殊な状況を除く大半の物理的変化は不可逆過程であり、可逆過程は理論上の極限でしか成立しない。我々が日常的に「エネルギーの消費」と言っているのは、不可逆過程を通じてエネルギーが元の状態に戻らなくなることを指している。エネルギーの利用という点からすれば、できる限り熱に変わる過程を少なくするのが無駄の無い上手な使い方だと言える。以上から我々は「エネルギーは最後には熱に変わる」という法則を見出した。この法則はかなりの広範囲に適用できるが、まだ完璧というわけではない。いうのは、改めて世の中を見回してみると「熱に変わる」以外の別の傾向に従う物理的変化も存在するからだ。第一に、我々は蒸気機関のような装置を使って、確かに高熱から運動エネルギーを得ている。第二に、世の中には結果的に熱を奪う物理的変化も存在する。水が蒸発する際に熱を奪う、という変化は最も身近な例だろう。これらの2点から、もう少し「エネルギーの流れの法則」に補足を加える必要がある。第一の点については、第二種永久機関の所でも触れておいた。熱から他の形態のエネルギーを取り出すには、必ず温度差が必要となる。蒸気機関が熱を運動エネルギーに変えているのは、蒸気を過熱する石油や石炭だけでなく、蒸気を冷却する海水や空気があるからだ。どんなに高温であっても、一様な高温の中から利用可能なエネルギーを取り出すことはできない。これはちょうど、どんなに標高が高くても平らな平原の中では物体はどこにも転がり落ちないのに似ている。熱が高温から低温に流れるのは、経験的にも明らかな自明の理であろう。この、熱が流れる「勢い」があって初めてエネルギーを利用可能な形態として取り出すことができるのである。以上より、温度差について、もう1つの法則を付け加えることになる。「熱は高温から低温に向って流れる。熱から他の形態のエネルギーを取り出すことができるのは、温度差があって、熱に流れが生じているときだけである。次に第二の点について考えてみよう。熱を奪う物理的な変化とはどのようなものか。蒸発、結晶の融解、気体の断熱膨張などである。汗が蒸発するときに体温を奪う。氷砂糖は口に含むとひんやりする。(なのでこの名が付いたのだと思う。高圧のタイヤから抜ける空気は冷たい。これら「冷える変化」に共通する特徴は、何らかの物質の拡散がともなうことだ。水が空気中に蒸散する。砂糖が水の中に溶け出す。圧縮されていた空気が広がる。実は冷蔵庫やクーラーも、内部では物質の拡散を利用しているのだ。(中には物質の拡散以外の原理による冷却装置もある。冷蔵庫やクーラーの電力は、作業物質を圧縮して回すためのモーターに使われている。冷却を行っているのは、作業物質が拡散する(減圧する)過程なのである。熱が高温から低温に流れるように、高圧の空気は低圧の空間に自然に流れ出そうとする傾向を持つ。熱と物質は全く異質のものだが、どちらも平均化する向きに流れを生じるという点では似通っているのである。以上から「熱に変わる」という法則の他に、もう1つの法則があることがわかる。「物質は高圧から低圧に拡散する傾向を持つ。場合によっては、物質の拡散の傾向の方が発熱する傾向(最後には熱に変わる傾向)を上回ることがある。」さて、ここまでに考えてきた「エネルギーの流れの法則」をまとめると、以下の3項目になる。エネルギーは最後には熱に変わる。温度差は平均化される。この3項目を改めて見直すと、何となく同じことを言ってはいないだろうか。「だんだんばらばらに散らばってゆく」とでも言えばよいのだろうか。実際、この3項目は本質的には同じことを主張しているのである。その本質を日常用語で簡潔に表現するのは難しい。これを的確に表現できるのが、「エントロピー」という物理学で導入された指標なのである。どんな概念であっても、できれば平易な言葉で説明できるに越したことはない。ことエントロピーについては例え話や例を連ねるより、数式の方が簡明で解りやすいと思う。以上で「エントロピー」に入る準備が整った。次に、具体的なエントロピーの定義に移ることにしよう。気体の自由膨張のどこに「エネルギーの流れ」が見出されるのか、といったお叱りを受けるかもしれない。これは完全な表現ではなく、説明の方便であることをご了承頂きたい。気体の自由膨張であっても、気体の為すであろう「仮想的な仕事」まで含めて考えれば必ずしもエネルギーの流れと無縁ではない。※より正確には「あらゆる物理的な変化はエネルギーという観点から捉えることができる」であろうか。エネルギーとは、つまるところ人が生み出した概念であり、手にとって示せる物体の類ではない。物理現象にエネルギーが関与しているかどうかを判断する主体は、結局は見る人の側にある。冷却について考えると、熱を奪う変化でありながら物質の拡散をともなわない現象もある。ペルチェ素子を用いた電力による冷却、消磁冷却、レーザー冷却、などである。物質の拡散」という図式は必ずしも真ではない。物質の拡散をともなわない冷却では、外部から何らかの形で利用可能なエネルギーを注入している。注入したエネルギーは「最後には熱に変わる」という1番目のルールに従っているのである。