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1.3.1 熱力学第二法則

熱力学第二法則も第一法則と同様に、成り立つことを前提として熱力学が展開され、現在まで実験的に正しいとされている。熱は自然な状態では温度の高いところから温度の低いところへ伝わる。これが熱力学第二法則である。高温物体から低温物体へ熱が伝わる現象は、低温物体から高温物体へは熱が伝わらないことから不可逆な現象であり、熱力学第二法則は熱の伝わりが不可逆であることを表している。可逆と不可逆の詳細については付録A.1 $^{\text{p.\pageref{sec-Irreversible}}}$ に示す。熱力学第二法則は様々な表し方があるが、ここではクラウジウスの原理とトムソンの原理を示す。

クラウジウスの原理では 「ある温度の物体からそれより高い温度の物体へ熱を移すだけで、ほかに何の結果も残さないような過程は実現不可能である」 と表現される（図1.2）。高温の物体と低温の物体を接触させて、高い温度の物体から低い温度の物体へ熱を移すだけで、ほかに何の結果も残さないような過程は簡単に実現できる。しかし、高温物体と低温物体を接触させて、低い温度の物体から高い温度の物体へ熱を移すだけで、ほかに何の結果も残さない過程は実現不可能である。高温物体と低温物体の間にエアコンや冷蔵庫に用いられるヒートポンプを設置し動作させると、低い温度の物体から高い温度の物体へ熱を移すことができるが、ヒートポンプを動作させるためには仕事が必要である。この際は熱を移すだけでなく、外部からヒートポンプへ仕事を与えた（エアコンや冷藏庫では電気エネルギーをコンセントから受け取り仕事に変換した）という結果を残すためクラウジウスの原理に反しない。

トムソン(ケルビン卿)の原理では 「一様な温度をもつ一つの熱源から熱をとり出しこれを仕事に変換するだけで、ほかには何の結果も残さないような過程は実現不可能である」 と表現される（図1.3）。ある温度の物体とそれよりも低いもしくは高い温度の物体の間で熱機関を動作させると、高温から低温へ伝わる熱の一部を仕事として取り出すことができる。しかし温度差のない一つの物体から熱を取り出し仕事に変換するだけで、他には何も結果を残さないような過程は実現不可能であることを表しているのがトムソンの原理である。このトムソンの原理に反する装置があり、それを例えば船に載せたと考える。この際、このトムソンの原理に反する装置は、一様な温度を持つ物体である周囲の海水から熱を取り出し、仕事に変換し船を動かすことができる。船が停止すれば、船にされた仕事は全て熱として海へ戻るので、エネルギーは保存され熱力学第一法則には反しない。このようにトムソンの原理に反する装置があれば、燃料を使うことなく周囲の海水や大気から熱を取り出すことで乗り物を動かすことができる。しかし、トムソンの原理に反する装置が存在する可能性は今までに示されていない ^1.9。

図 1.2: クラウジウスの原理 図 1.3: トムソンの原理

付録A.3 $^{\text{p.\pageref{sec-2ndLawThomsonClausius}}}$ にクラウジウスの原理に反すればトムソンの原理にも反し、トムソンの原理に反すればクラウジウスの原理にも反することを示す。

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