熱力学第０法則について

Question

熱力学第０法則とは
「系１と系３が熱平衡にあり、系２と系３が熱平衡であれば、系１と系２は熱平衡の状態にある」
と大学で教わりました。この具体例として、
「熱いコーヒーを室内に放置すればコーヒーが放熱し、室内の空気は加熱されて両者は熱平衡に達する」
という事象がよく取り上げられますが、自分の中で、この具体例が第０法則といまいち結びつきません。系１がコーヒー、系２が空気だとして、系３は一体何を表しているのでしょうか。

mychingoo · Accepted Answer

質問者への回答と言うよりは他の回答者への反論のようなものになってしまいそうで誠に恐縮するのですが、重要なことだと思いますので敢えて述べさせて頂きます。
　ここで重要なことは一つの尺度（この場合温度計）という非常に便利なものが手に入ること、そしてその尺度の基準も物理法則（この場合ボイル・シャルルの法則）に則ったものだということではないでしょうか？
　例えば温度（または内部エネルギー）の等しいＡ～Ｚまで２６の系があったとします。もし温度計がなければこれらを互いに個別に比較していくという非常に骨の折れる作業が必要になります。しかしＡが尺度の基準になるものであったとすればどうでしょう？Ａと他の２５の系とを比較するだけでよいのです。Ａと等しければ他の系はすべて等しい（熱平衡の状態にある）と言えるのです。
　普段何気なく使っている測定器について疑問を持ち、見直してみることも決して無駄なことではないのではないでしょうか？
　温度計はボイル・シャルルの法則という物理法則に合致しています。電流計や電圧計はオームの法則を利用しています（内部に電気抵抗が入っている）。これらの測定器がなかった場合のことを想像してみて下さい。
　今一つ重要なことはこのような素朴な疑問を持つということそれ自体だと思います。子供たちに理科の面白さを教えるために様々な興味深い実験をしてみせるという試みがなされていますが、それだけでは「ああ面白かった」で終わってしまう可能性が多分にあります。自然科学で最も重要なことは自然界の現象に対して「なぜだろう？」という疑問を持つことだと思います。これまでの自然科学史上このような疑問なくしてはいかなる発見も発明もあり得ませんでした。いかなる偉大な科学者・技術者の出現もあり得ませんでした。
　偉そうなことを言ってすみませんでした。そう言う僕もまだ初学者の域を脱していません。しかし「初心を忘れず」このような素朴な疑問を持ち続けていくつもりです。頑張って下さい。

buturikyou · Answer

別の問題が出てきました！

＞「熱いコーヒーを室内に放置すればコーヒーが放熱し、室内の空気は加熱されて両者は熱平衡に達する」

この話において、系1がコーヒーで、系2が空気だとして、さらに系3が温度計だとしたら「コーヒーの温度と空気の温度を測定しておなじであるならコーヒーと空気とは熱平衡にある」というのならば《熱力学第０法則》によって規定されたとおりの結論ですが「熱いコーヒーから温度の低い空気に自発的に熱が移動する」という“熱の移動方向に関する原則”を含んでいるのならば《熱力学第2法則》をも使わなければ表現されません・・。

いったいどこでかような例示が行われているのか理解できかねます！なお、熱に関する深い洞察に興味がおありだったら(古本しか無いと存じますが)東京書籍発行 ブリッジマン著 村田良夫 訳 【熱とエントロピー・熱力学の本性について(科学技術選書)】に(ノーベル賞受賞者らしくあまりにも)詳しく書いてありますので、秋の夜長なりとじっくりお読みになれば如何かと存じました。やれやれ、その昔の書き損じの年賀はがきがしおりに挟んであったりして、大昔を微笑ましく、また楽しく思い出すことができました。こちらが礼を言いたいです、ありがとうございました・・。

buturikyou · Answer

「バネばかりで測定された物理量が物体に加わっている重力である」というのと似ています。現実には重力は力ではなく空間の湾曲でありベクトル量ではなくテンソルで表されるからといって気にしないことです。最初から厳密なことを言おうとしたら静止している物体には慣性力としての重力が働いているが重力運動をしている物体には重力にあたる力は存在していないことに為ります。加速していようが放物線を描こうが楕円軌道であろうと宇宙空間を真っすぐ進んでいることが一般相対性理論によって示されます。

温度計で温度が測定されることや接している面が温度が等しいことを疑っていたら体温も信じられませんから、とにかく気にしないことです。

jamf0421 · Answer

下記サイトをご覧下さい。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E7%AC%AC%E9%9B%B6%E6%B3%95%E5%89%87
A=BかつB=CならばA=Cといっているようなものです。私もNo2さん同様に、そんなに有難いものかな、と思っています。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E7%AC%AC%E9%9B%B6%E6%B3%95%E5%89%87

buturikyou · Answer

第０法則なんか自明だから相手にするな、そんなことばかり言ってると偉くなれないぞ！

この件については保障する・・。

mychingoo · Answer

部屋の中にある温度計ですよ。ただし石油温度計か水銀温度計。コーヒーが放熱することによって室内の空気が加熱され、その結果石油または水銀も過熱されて膨張するという訳です。
　しかしこの場合温度計は直接コーヒーの温度を測る訳ではないので、系１をコーヒーにするのであれば系２は温度計にし、系３は室内の空気にした方がより自然でかつ分かりやすいと思います。この場合には、「コーヒー（系１）と室内の空気（系３）が熱平衡になり、室内の気温を示す温度計（石油または水銀　系２）と空気（系３）が熱平衡であれば、コーヒーと温度計は熱平衡の状態にある」と言うことができます。

熱力学第０法則について

質問者への回答と言うよりは他の回答者への反論のようなものになってしまいそうで誠に恐縮するのですが、重要なことだと思いますので敢えて述べさせて頂きます。

この回答への補足

別の問題が出てきました！

「バネばかりで測定された物理量が物体に加わっている重力である」というのと似ています。

この回答への補足

下記サイトをご覧下さい。

第０法則なんか自明だから相手にするな、そんなことばかり言ってると偉くなれないぞ！

部屋の中にある温度計ですよ。

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　質問者への回答と言うよりは他の回答者への反論のようなものになってしまいそうで誠に恐縮するのですが、重要なことだと思いますので敢えて述べさせて頂きます。

　部屋の中にある温度計ですよ。