Law of Thermodynamics｜熱力学法則
熱力学の法則（Thermodynamic Laws）
熱力学はエネルギーの移動や変換を扱う物理学の分野であり、以下の4つの基本法則があります。
🔹 0番目の法則（熱平衡の法則）
（Zeroth Law of Thermodynamics）
📌 内容
もしAとBが熱平衡にあり、BとCも熱平衡にあるならば、AとCも熱平衡にある。
📌 意味
- 熱平衡とは、2つの物体の温度が同じで、エネルギーのやり取りがない状態。
- この法則により、「温度」という概念が定義される。
- 実際には温度計が成り立つ原理。
📌 発表
- 20世紀初頭に定式化（19世紀には暗黙の了解として使われていた）
- 名称は20世紀になってから（1～3番目の法則が確立した後に命名）
🔹 第1法則（エネルギー保存則）
（First Law of Thermodynamics）
📌 内容
エネルギーは保存され、外部とのエネルギーのやり取りがない限り、システムのエネルギー総量は変化しない。
ΔU=Q−W
📌 意味
- 内部エネルギー Uの変化は、「熱 Q」の供給と「仕事 W」の差で決まる。
- つまり「エネルギーは形を変えるが、消失もしないし、無から生じることもない」。
📌 発表
- 1847年: ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ（Hermann von Helmholtz）によって提唱
- ジェームズ・プレスコット・ジュール や ルドルフ・クラウジウス も関与
🔹 第2法則（エントロピー増大の法則）
（Second Law of Thermodynamics）
📌 内容
エネルギーは一方向に変化し、不可逆な過程ではエントロピー（乱雑さ）が増大する。
ΔS≥0
📌 意味
- 自然界の変化は一方通行であり、不可逆である（例えば、温かいコーヒーが自然に冷めるが、勝手に温まることはない）。
- 熱は高温から低温へ自発的に流れる。
- エネルギーの質は劣化する（例：摩擦によって熱になるが、その熱から元の運動エネルギーに戻すのは難しい）。
📌 発表
- 1850年: ルドルフ・クラウジウス（Rudolf Clausius）
- 1854年: ウィリアム・トムソン（Lord Kelvin）
🔹 第3法則（絶対零度到達不可能の法則）
（Third Law of Thermodynamics）
📌 内容
絶対零度（-273.15℃, 0K）において、エントロピーは最小（完全秩序）になる。
S→0(as T→0)
📌 意味
- 物質は絶対零度に近づくにつれて、原子の運動が停止し、エントロピーがゼロに近づく。
- しかし、絶対零度に到達するのは不可能。
- 低温技術（冷凍、超伝導）で重要な法則。
📌 発表
- 1906年: ヴァルター・ネルンスト（Walther Nernst）
🔹 まとめ
| 法則 | 内容 | 意味 | 提唱者・発表年 |
|---|---|---|---|
| 0番目の法則 | 熱平衡にある物体は同じ温度を持つ | 温度の概念の定義 | 20世紀初頭（暗黙的に19世紀から） |
| 第1法則 | ΔU=Q−W（エネルギー保存則） | エネルギーは保存されるが形を変える | 1847年（ヘルムホルツ、ジュール） |
| 第2法則 | エントロピーは減少しない（増大する） | 自然界の変化は不可逆 | 1850年（クラウジウス） |
| 第3法則 | 絶対零度ではエントロピーはゼロ | 絶対零度には到達不可能 | 1906年（ネルンスト） |
🔹 熱力学の法則の応用
- エンジン・発電機（第1法則、第2法則）
- 冷却システム・エアコン（第2法則、第3法則）
- 化学・材料科学（エントロピー・エネルギーの計算）
- 宇宙物理学（ブラックホールのエントロピー）
熱力学の法則の発表者と発表場所・学会
🔹 0番目の法則（熱平衡の法則）
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 提唱者 | 19世紀以前から暗黙的に使用（正式な発表者なし） |
| 学会・発表場所 | 20世紀初頭に熱力学研究の一環として命名 |
| 背景 | ラルフ・ファウラー（Ralph H. Fowler）が1930年代に「0番目の法則」として命名 |
| 発表年 | 20世紀初頭 |
| 出生地 | – |
| 関連学会 | イギリス王立学会（Royal Society）など |
🔹 第1法則（エネルギー保存則）
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 提唱者 | ルドルフ・クラウジウス（Rudolf Clausius）、ジェームズ・プレスコット・ジュール（James Prescott Joule）、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ（Hermann von Helmholtz） |
| 発表年 | 1847年（ヘルムホルツ） |
| 発表場所・学会 | ベルリン・アカデミー（Prussian Academy of Sciences, Berlin） |
| 出生地（主要人物） | – クラウジウス（ドイツ、コッシュン） – ジュール（イギリス、サルフォード） – ヘルムホルツ（ドイツ、ポツダム） |
🔹 第2法則（エントロピー増大の法則）
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 提唱者 | ルドルフ・クラウジウス（Rudolf Clausius）、ウィリアム・トムソン（Lord Kelvin） |
| 発表年 | 1850年（クラウジウス） |
| 発表場所・学会 | ベルリン科学アカデミー（Berlin Academy of Sciences） |
| 出生地（主要人物） | – クラウジウス（ドイツ、コッシュン） – ケルヴィン（イギリス、北アイルランド・ベルファスト） |
🔹 第3法則（絶対零度到達不可能の法則）
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 提唱者 | ヴァルター・ネルンスト（Walther Nernst） |
| 発表年 | 1906年 |
| 発表場所・学会 | ドイツ科学アカデミー（Berlin Academy of Sciences） |
| 出生地 | ドイツ、ブルク（現ポーランド領） |
🔹 まとめ
| 法則 | 提唱者 | 生まれ | 発表年 | 発表場所・学会 |
|---|---|---|---|---|
| 0番目の法則 | 不明（ファウラーが命名） | – | 20世紀初頭 | イギリス王立学会 |
| 第1法則 | ヘルムホルツ、ジュール、クラウジウス | ドイツ・イギリス | 1847年 | ベルリン・アカデミー |
| 第2法則 | クラウジウス、ケルヴィン | ドイツ・イギリス | 1850年 | ベルリン科学アカデミー |
| 第3法則 | ネルンスト | ドイツ | 1906年 | ドイツ科学アカデミー |
熱力学の各法則は、ドイツとイギリスで確立され、ベルリン科学アカデミーやイギリス王立学会で発表されたものが多いです。