- 科目
- 熱力学
- 章
- 熱機関のサイクル
- 図番
- 10 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
冷めたコーヒーが、ひとりでに熱くならないわけエントロピーと T-s 線図
熱 Q が絶対温度 T で出入りすると、エントロピーは Q/T 変わる。80℃ のコーヒーから 20℃ の部屋へ 1 kJ 流れると、コーヒーは −2.83 J/K、部屋は +3.41 J/K で、合計 +0.58 J/K 増える。合計が減る向きには、熱は自然には流れない。あいだに熱機関を通せば合計は 0 のままで、170 J を仕事として取り出せる。

このページの内容
この単元のポイント
- 熱 が絶対温度 で出入りすると、エントロピーは だけ変わる。80℃ のコーヒーから 1 kJ の熱が出ていくと、コーヒーは −2.83 J/K。
- その 1 kJ が 20℃ の部屋に入ると、部屋は +3.41 J/K。合計は +0.58 J/K 増える。合計が減る向き(部屋からコーヒーへ)には、熱は自然には流れない。
- T-s 線図では、線の下の面積が熱、1周して囲んだ面積が仕事。あいだに熱機関を通せば、合計は 0 のままで、囲んだ長方形の 170 J を仕事として取り出せる。
熱いコーヒーは、なぜ冷める一方なのか
いれたての 80℃ のコーヒーを、20℃ の部屋に置いておきます。しばらくすると、ぬるくなり、やがて部屋と同じ温度になります。
反対に、冷めたコーヒーが、部屋の空気から熱を集めて、ひとりでに熱くなることはありません。
予想してから読む20℃ の部屋に置いた 80℃ のコーヒーへ、部屋の空気から 1 kJ の熱が流れ込んで、コーヒーがさらに熱くなることは?
熱と仕事(第一法則)の家計簿は、エネルギーが消えも生まれもしないことを言います。でも、熱がどちらへ流れるかは言いません。その向きを数で決めるのが、この単元の量です。
公式はこれ
熱 が、絶対温度 の物に入ると、その物のエントロピー が次の分だけ増えます。出ていくときは、同じだけ減ります。
単位は J/K(ジュール毎ケルビン)です。1865年に、ドイツの物理学者クラウジウスが、ギリシャ語の「変化(トロペー)」から名付けました。わざと「エネルギー」に似た語にした、と本人が書いています。
80℃ のコーヒーから、20℃ の部屋へ、1 kJ の熱が流れたとします。コーヒーの温度も部屋の温度も、ほとんど変わらないとみます。
| 熱 | 絶対温度 | エントロピーの変化 | |
|---|---|---|---|
| コーヒー(出ていく) | −1000 J | 353 K(80℃) | −2.83 J/K |
| 部屋(入る) | +1000 J | 293 K(20℃) | +3.41 J/K |
| 合計 | 0 J | +0.58 J/K |
熱は、合計 0 J で、勘定が合っています。エントロピーは、合計で 0.58 J/K 増えました。同じ 1 kJ でも、温度の低い部屋に入ったときのほうが、 が大きいからです。
逆向きに、部屋からコーヒーへ 1 kJ 流れたとすると、合計は −0.58 J/K で、減ります。自然に起きるのは、いつも合計が増える向きです。これが熱力学の第二法則の、もう1つの言い方です。
流れ落ちると、戻らない量
カルノーサイクルと第二法則(効率の上限)の単元では、熱の流れを、高い所から落ちる水にたとえました。落差の間に水車を置けば、仕事を取り出せます。
コーヒーが部屋で冷めるのは、水車を置かずに、水をそのまま下の池へ落としたのと同じです。水は下の池へ着きますが、取り出せたはずの仕事は、取り出されないまま終わります。
80℃ と 20℃ の間に熱機関を置けば、1 kJ から多くて の仕事を取り出せました(カルノーの単元の例題3)。この 170 J は、エントロピーの増えに、低温側の温度をかけた値と同じです。
エントロピーの増えは、「取り出しそこねた仕事」の大きさを表します。一度増えたら、ひとりでには元に戻りません。
公式を、かたまりに分けて読む
- 出入りした熱 熱が多いほど、エントロピーも大きく変わります。2 kJ なら 2倍です。
- 温度の逆数 同じ熱でも、低い温度で出入りするほど、エントロピーの変化は大きくなります。だから、熱が高温から低温へ流れると、低温側の増えが、高温側の減りより大きくなり、合計が増えます。
どの数字がいちばん効く?
初期値(80℃ のコーヒー・20℃ の部屋・1 kJ)から、1つずつ変えたときの、合計の増えです。
| 変えるもの | 合計の増え | 変化 |
|---|---|---|
| 熱 を10%多く(1.1 kJ) | +0.64 J/K | +10% |
| コーヒーを 10 K 熱く(90℃) | +0.66 J/K | +13% |
| 部屋を 10 K 冷たく(10℃) | +0.70 J/K | +21% |
同じ 10 K でも、部屋(低温側)を変えるほうが、よく効きます。 は、温度が低いほど急に変わるからです。カルノーの単元で、低温側の 1 K が高温側の約 3 K に当たったのと、同じ理由です。
T-s 線図:面積が熱
横軸にエントロピー、縦軸に絶対温度をとった線図を、T-s 線図といいます。温度 のまま、エントロピーが だけ変わると、出入りした熱は です。これは、高さ ・幅 の長方形の面積です。
T-s 線図の読み方
線の下の面積 = 出入りした熱。P-V 線図で、線の下の面積が仕事だったのと同じ読み方です。
1周して囲んだ面積 = 正味の仕事。入れた熱(上の線の下の面積)から、捨てた熱(下の線の下の面積)を引いた残りです。
カルノーサイクルは、T-s 線図では長方形になります。等温の変化は横の線、断熱の変化は縦の線(熱の出入りが無いので、エントロピーが変わらない)です。
カルノーの単元の発電所(600℃ と 20℃、1秒に 1000 MJ)なら、高温側で受け取るエントロピーは 。捨てる熱は、高さ 293 K・同じ幅の長方形で 336 MJ、囲んだ面積が 664 MJ の仕事です。
動かしてみよう
まず、コーヒーの温度 と、部屋の温度 を動かしてください。左の下の棒が、コーヒー・部屋・合計のエントロピーの変化です。部屋のほうを熱くすると、合計の棒が赤くなって、下へ向きます。合計は小さいので、棒だけ5倍で描いています。
右の T-s 線図では、黄土の長方形がコーヒーの出した熱、破線の長方形が部屋に入った熱です。面積はどちらも同じですが、部屋の長方形のほうが横に長くなります。はみ出た紫の帯が、取り出しそこねた仕事です。
次に、流し方を「熱機関を通す」に切り替えてください。部屋の長方形の幅が、コーヒーと同じになり、合計は 0 になります。2つの温度の間の長方形(紫)が、取り出した仕事です。
試してみよう0 / 3
- 部屋は 20℃ のまま、コーヒーの温度 tH を 100℃(沸かしたての湯)に上げる。左の棒で、コーヒーの減り方を見る(まだ)
- コーヒーは 80℃ のまま、部屋の温度 tL を 90℃(サウナの中)にする。合計の棒の向きを見る(まだ)
- 温度は 80℃ と 20℃ に戻し、流し方を「熱機関を通す」にする。右の T-s 線図の、囲んだ長方形を見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- エントロピーの変化の合計
- コーヒーのエントロピーの変化
- 部屋のエントロピーの変化
- 取り出しそこねた仕事
ほかの値(4 個)
- 部屋に入る熱
- 取り出した仕事
- コーヒーの絶対温度
- 部屋の絶対温度
途中の計算(導出)を見る
温度を絶対温度に直す(℃ に 273.15 を足す)
コーヒーのエントロピーの変化(熱が出ていくので、減る)
部屋に入る熱(そのまま流すので、出た熱と同じ)
部屋のエントロピーの変化(熱が入るので、増える)
合計(コーヒー + 部屋)
取り出しそこねた仕事(部屋の温度 × エントロピーの増え)
つまり、ものを作るときは
温度の差のある所を、熱をそのまま流さない。それだけで、仕事を取り出す機会が失われます。発電所のボイラで、炎の熱をできるだけ高い温度の蒸気に渡すのは、このためです。
熱を低い所から高い所へ運ぶには、仕事が要る。冷蔵庫は、中の冷たい空気から熱を取り、外へ出します。合計のエントロピーを減らさないように、電気の仕事を足して、外へ出す熱を増やしています(下の例題2)。
よくある勘違い
「エントロピーは、いつも増える」
増えるのは、熱のやりとりをする物を全部足した合計です。一つ一つの物では、減ることもあります。冷めていくコーヒーのエントロピーは、減っています(−2.83 J/K)。その分より多く、部屋が増えます。
| 物 | 1 kJ が流れたときの変化 |
|---|---|
| コーヒーだけ | |
| 部屋だけ | +3.41 J/K |
| 合計 | +0.58 J/K(増える) |
「エネルギーが減るから、元に戻らない」
エネルギーは減っていません。コーヒーが出した 1 kJ は、全部が部屋にあります。失われたのは、その熱から仕事を取り出す機会です。エネルギーの量は第一法則、流れの向きと、取り出せる仕事の量は第二法則が決めます。
「エントロピーは、散らかり具合のこと」
インクを水に落とすと広がって、ひとりでには集まりません。これも、合計のエントロピーが増える向きの変化です。「散らかり具合」は、その感じをつかむ言い方としては使えます。でも、この単元で数にしているのは です。熱の計算は、いつもこの式で行います。
この公式が使える条件
- 熱を出し入れしても、その物の温度がほとんど変わらない(熱の量にくらべて、物が大きい)。温度が変わるときは、少しずつに分けて を足し合わせる(例題3)
- 温度は絶対温度 [K] で入れる
- 熱の出入りが、物の中の温度の差の無い所で、ゆっくり起きる(そうでないときも、物の始めと終わりの状態が同じなら、エントロピーの変化は同じ)
- 合計が増えるのは、熱のやりとりを外とまったくしない物の組(コーヒーと部屋をまとめた全体)について
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
カルノーサイクルから:カルノーサイクルと第二法則(効率の上限)の単元で、上限で動く熱機関では でした。書き直すと、
高温側から受け取る と、低温側へ捨てる が、ちょうど等しくなります。1周して元に戻ったとき、出入りの差し引きが 0 になる量です。クラウジウスは、この を、物の状態で決まる量と考え、エントロピーと名付けました。
状態で決まることを、空気で確かめる:等温でふくらむとき、受け取る熱は でした(等温変化)。 で割ると で、温度によらず、体積の比だけで決まります。
合計が増える:温度 の物から、()の物へ、熱 がそのまま流れると、
取り出しそこねた仕事:これに をかけると で、カルノーの上限で取り出せたはずの仕事と同じです。
温度が変わる物:質量 ・比熱 の物が、 から まで温度を変えるとき、少しずつの熱 を、そのときの温度で割って足し合わせます。
例題
例題1 冬のお風呂
42℃ のお風呂のお湯から、10℃ の冬の浴室へ、100 kJ の熱が出ていきました。お湯も浴室も大きいので、温度は変わらないとします。
(1) お湯のエントロピーの変化。(2) 浴室のエントロピーの変化。(3) 合計。
ヒント 1
出ていく側は 、入る側は 。温度は絶対温度(315.15 K と 283.15 K)で入れます。
答えと解き方を見る
同じ 100 kJ でも、温度の低い浴室のほうが、Q/T が大きくなります。だから合計はいつも増えます。
例題2 冷蔵庫の中から台所へ
冷蔵庫の中(3℃)から、台所(25℃)へ、1 kJ の熱を移したいとします。
(1) 何もせずに 1 kJ が流れたとすると、エントロピーの合計はいくら変わるか。自然に起きるか。(2) 合計を 0 にするには、台所へ何 J の熱を出せばよいか。その差は、外から何で入れるか。
ヒント 1 / 2
冷蔵庫の中は 、台所は です。
ヒント 2 / 2
(2) は、台所の増え が、冷蔵庫の中の減り と同じになる を求めます。
答えと解き方を見る
冷たい側から熱い側へ熱を運ぶには、仕事が要ります。少なくとも 1 kJ あたり 80 J。冷蔵庫やエアコンがこの仕事を電気で入れていることは、あとの冷凍サイクルとヒートポンプの単元で扱います。
例題3 コーヒーが冷めきるまで
200 g のコーヒー(水とみる。比熱 4.186 kJ/(kg·K))が、80℃ から、20℃ の部屋の温度まで冷めきりました。
(1) 部屋へ出ていった熱。(2) 部屋のエントロピーの変化。(3) コーヒーは冷めながら温度が下がるので、 で求める。コーヒーのエントロピーの変化と、合計。
ヒント 1 / 2
(1) は 。部屋の温度は変わらないので、(2) は です。
ヒント 2 / 2
(3) は です。
答えと解き方を見る
コーヒーの減りを 80℃ のまま出ていったとみると −142 J/K で、ln で求めた −156 J/K より小さくなります。冷めた後のほうは、低い温度で熱を出すので、1 J あたりの減りが大きいからです。
合計は +15.5 J/K。冷めきったコーヒーが、部屋の熱を集めてひとりでに 80℃ に戻ることはありません。