質の違うものの接触がエネルギーを放出するという真実（4）

放出できるエネルギーはどのくらいかの計算ができる。無損失の混合温度56℃が計算されてるので計算は簡単だ。
熱容量Ctの80℃の水１と同熱容量の40℃の水２の元のエネルギーの和（E12)と混合後の56℃の熱容量2Ctの水のエネルギーEmの差が、放出できるエネルギーWになる。

E12 = 80Ct + 40Ct　（水１と２が持っていた混ざる前の熱エネルギー）
Em = 56 × 2Ct　（可逆的に混ぜた後の熱エネルギー）

W = E12 - Em = (80 + 40 - 2 × 56) Ct = 8Ct　（放出できる最大エネルギー）

ここでは、簡単に考え方だけを説明したいので、絶対温度や定圧熱容量などの専門用語は使わなかった。

以上、「質の違うものの接触がエネルギーを放出する」という真実を高温と低温の水の接触で説明した。
説明は直感的に理解できるように、簡単にした。温度の違うものが触れ合い混ざろうとするとエネルギーを放出する例は我々の生活環境にあふれている。

１）湿った暖気と乾いた寒気が触れ合って降る雨や雪、風、それらによる嵐や災害
２）暖気が渦を巻きながら空の寒気に向かって上昇する竜巻
３）寒気に向かう上昇気流が運ぶ電荷が引き起こす落雷
４）寒流と暖流が作る海流や対流

大きな温度差があると、放出エネルギーもその分大きい。
質の差は温度だけではない。人の気質や情熱、文化教育などの質の差が国力、GDP、人口、結婚、特許にも及ぶ差につながり、表現される。
このことを、本コラム「熱力学に重なる社会現象」で説明できるのでないかと思っている。

図２-2に熱エネルギーを移動させる熱機関動作を概念的に示した。
Q1の熱が流入してQ2の熱が流出する。熱機関はQ１とQ2の差の分の仕事エネルギーWを作りだす。
エネルギーの流入(増加）をプラス、流出(減少）をマイナスの記号で表現する。エネルギー保存則が成立していることを表現すると

Q1 = W + Q2　　または　　Q1 - Q2 ＝ W

移動した熱エネルギーQは熱機関と熱源に変化を作り、変化量δSを作ると仮定する。
これを温度Ｔと変化量δSで表現して、

Q = TδS

とする。この表現は押し付けに感じるかも知れない。次回付録３にこの線形表現のイメージを示す。
熱移動で生じた熱機関の変化は変化量δSを用いて

Q1 = T1δS1　（熱源から熱機関へ熱Q1が可逆的に移動）
-Q2 = T2δS2（熱機関から熱源に熱Q2が可逆的に移動）

と表現される。
熱移動が終わったあと、熱機関の変化量が無く元の状態に戻っていれば、逆に動作させることができる。
即ち、逆に熱機関を動かして、低温熱源からQ2を流入させて、仕事エネルギーＷを熱に変換して元のエネルギーＱ1を高温の熱源に戻せる。
熱機関の全体変化量δＳ＝０は熱移動の可逆動作を表現する。
従って

δS1 + δS2 = ０　または　Q1 / T1 -Q2 / T2 = 0

という表現が得られた。
ここまで変化量という言葉で扱ったδSのことをエントロピー変化と言う。

[ Author : Y. F. ]