生態、がメインコンテンツです。前回から読む最初から読む﻿ここまで、水と水溶液の混合を例にして、仕事を取り出す方法を考えてきました。どの方法でも仕事の最大値は同じになることを示しました。言い換えると、同じ値になるように各種の特性が決まっているのです。今回はこれまでのまとめを行い、新しい視点を提示します。自然に起こる変化は上手くやればエネルギーが取り出せる水と水溶液は放っておいても勝手に混合しますが、そのときに上手くやれば仕事を取り出せるのでした。他にも蒸気圧を使う方法では、真空中で水が蒸発するときに仕事を取り出しました。これも自然に起きる変化です。水素と酸素が反応して水になるのも自然に起きる方向です(室温で触媒などを使わなければ反応速度は非常に小さいですが)。この場合も燃料電池を使って仕事を取り出すことができました。「自然に起こる変化は、上手くやれば仕事を取り出せる」と言ってもいい気がします。溶液から水を分離する、真空中で水蒸気を水にする、水を水素と酸素にする、といった逆の変化を起こすには仕事が必要でした。仕事を少なくすることはできても限界があります。その限界は、逆変化で取り出せる仕事の量と一致しています。発想を変えてみるここで発想を変えてみましょう。「上手くやれば仕事を取り出せる方向へ自然に変化する」と考えるのです。その方がすっきりします。取り出せる仕事の最大値は決まっています。それより少なくなることは問題ありません。仕事を取り出さないで変化してもいいということです。逆に仕事をしなければ変化しない場合、仕事の最小値が決まっています。それより多くの仕事が必要なのです。仕事ゼロでは、絶対に起きません。自然に起きる変化は、仕事を取り出す方向に進むのです。これまで、取り出せる仕事の最大値を調べてきましたが、これは「変化はどの方向に進むか?」という問題と大きく関連していたのです。変化の方向を計算できないかAとBのふたつの状態があるとします。AからBへの変化が自然に起きるのかどうかを知るためには、仕事を取り出せるかどうかがわかればいいのです。それが簡単にわかる方法はないものでしょうか?物質が持つ内部エネルギーというものがありました。状態Aの内部エネルギー、状態Bの内部エネルギーがわかれば、AからBへ変化させたときのエネルギー変化がわかります。同じように、状態によって決まるなんらかの量があって、その差を計算すれば仕事が取りせるかどうかわかれば、便利です。保存する性質が必要エネルギーの場合は保存するという性質があります。AからBに変えたときのエネルギー差とBからAに変えたときのエネルギー差がプラスマイナスゼロになります。なければ、AからBに変えた後、BからAに戻したとき、最初とエネルギーが違うということになっています。状態だけで決まる量は、保存していなければなりません。AからBに変えるときの仕事は変化のさせ方で変わってきます。エネルギーのようにはいきません。得られる仕事の最大値がわかればいいといって悲観することはありません。AからBに変えるときの仕事は変化のさせ方で変わりますが、得られる仕事の最大値はどの方法でも同じでした。AからBに変えたときに得られる仕事の最大値は、BからAに変えるときに必要な仕事の最小値と等しいのでした。これを使えば、エネルギーのように状態で決まる量が作れそうです。自由エネルギーというもの得られる仕事の最大値を知ることができる量として「自由エネルギー」というものがあります。状態Aの自由エネルギー、状態Bの自由エネルギーが定義できて、AからBに変わると自由エネルギーが減るのなら、その分が仕事として取り出せるというものです。自由エネルギーが減少する方向へは自然に変化できますが、自由エネルギーが大きくなる方向へ自然に変化することはないのです。自由エネルギーに2種類ある自由エネルギーは2種類あります。ヘルムホルツの自由エネルギーとギブズの自由エネルギーです。2種類あるということは、万能ではないということです。ヘルムホルツの自由エネルギーは、体積一定の条件で起きる変化の方向を表すのに対して、ギブズの自由エネルギーは圧力一定の条件で起きる変化の方向を表すものです。状態を変化させるとき体積が増えたとします。大気中での変化だったら、その体積増加部分にあった空気を押しのけなければなりません。それにエネルギーを使ってしまうのです。体積一定なら問題ありませんが、体積が変わる場合はそれを考慮しないといけないのです。そこで、体積一定の場合はヘルムホルツの自由エネルギー、圧力一定で体積が変わる場合はギブズの自由エネルギーを使うのです。私たちは、ほぼ1気圧の一定圧力下で暮らしています。目にする現象も、ほとんど一定圧力下で起こっているので、ギブズの自由エネルギーを考えれば、どの方向に変化するのかわかるのです。逆に言えば、自然に起こっている現象はギブズの自由エネルギーが減少しているのだと考えることができます。前回までで、説明はほぼ終わりです。大事なエントロピーがまだ出てきてないので、体裁を整えつつエントロ...記事を読む具体例でみる熱力学1/熱力学第一法則ってなんだ?よく熱力学はわかりにくいと言われます。具体的な例でみる理論的でない熱力学の第二回です。クラウジウスの定理エネルギー保存則とは何か?熱力学第一法則を理解するために必要なこと。研究開発業務をしてる会社員。普通の理系人間として、科学者とは違う目線で科学の話題を提供します。メールフォーム少し軽めのネタを扱うブログを新しく立ち上げました。よければ、そちらもみてやってください。