熱伝導と熱力学

熱伝導は熱力学で議論されるテーマの1つである。熱力学の概念は、物理学や力学を学ぶ上で非常に重要である。熱力学は物理学で最も重要な研究分野の一つである。熱伝導と熱力学の概念を正しく理解することは、これらの概念が適用される分野で活躍するために不可欠です。今回は、伝熱と熱力学とは何か、その定義と応用、熱力学と伝熱の共通点、最後に熱力学と伝熱の違いについて説明します。

熱力学

熱力学は大きく2つの分野に分けられる。一つは古典熱力学で、もう一つは統計熱力学である。古典熱力学は「完成」された学問分野と考えられており、古典熱力学の研究が終わったことを意味する。しかし、統計熱力学はまだ発展途上の分野であり、多くの門戸が開かれています。

古典熱力学は、熱力学の4つの法則に基づいている。熱力学の第0法則は熱平衡を、熱力学の第1法則はエネルギー保存を、熱力学の第2法則はエントロピーの概念を、熱力学の第3法則はギブス自由エネルギーを記述するもので、この3つの法則をもとに熱力学は成り立っています。統計熱力学は、ミクロなレベルでの運動や力学を熱力学的に考えるもので、主に統計的な熱力学がベースになっています。

熱伝導

熱エネルギーを持つ2つの物体が接触すると、熱という形でエネルギーが移動しやすくなります。熱伝導の概念を理解するためには、まず熱の概念を理解する必要がある。熱エネルギーは、熱とも呼ばれ、システム内のエネルギーの一形態である。熱エネルギーは、システムの温度を引き起こすものです。熱エネルギーは、システム内の分子のランダムな動きの結果として発生します。絶対零度以上の温度を持つすべての系は、正の熱エネルギーを持つ。原子自体には熱エネルギーはありません。原子は運動エネルギーを持っています。この原子が互いに、あるいはシステムの壁と衝突すると、光子の形で熱エネルギーを放出する。このようなシステムを加熱することで、システムの熱エネルギーが増加する。システムの熱エネルギーが高いほど、ランダム性は高くなる。

熱伝導とは、ある場所から別の場所へ熱を移動させることです。熱的に接触している2つのシステムの温度が異なる場合、温度が高い物体で発生した熱は温度が低い物体に流れ込み、温度が等しくなる。自発的な熱移動には、温度勾配が必要です。

熱の移動速度はワットで測定され、熱はジュールで測定されます。単位ワットは、単位時間あたりのジュールで定義されます。