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素朴な質問です。
たとえば、粒子が液中に分散している系を考えます。
拡散も凝集も理屈では理解できる現象ですが、
「エントロピー増大の法則」によると凝集は理解できません。

エントロピーという概念でみた場合、凝集はどう理解したらよいのでしょうか。
よろしくお願いいたします。

質問者からの補足コメント

  • どう思う?

    回答を3件いただきました。
    事例として、粒子が液中に分散している系をあげましたが、これは取り下げます。
    No.2の回答者である finalbento さんからいただいた表現を使って質問を修正します。

    「エントロピー増大の法則」により無秩序になる系と、
    秩序ある状態になる系の違いはどこにあるのでしょうか?

    No.1の回答者である chiha2525 さんが指摘された重力や、電磁気力などが
    働いている系かどうかということでしょうか。

      補足日時:2021/10/03 21:00

A 回答 (8件)

熱機関が外部に行う仕事はエネルギー保存則から W = Q1 − Q2 であり、熱機関の熱効率 η は


η=W/Q1=1-Q2/Q1・・①
カルーノーの定理から
η≦ ηmax=1-T₁/T₂・・②
①と②から
Q₁/T₁≦Q₂/T₂
効率がηmaxの時は可逆過程で
Q₁/T₁=Q₂/T₂
となって、熱機関のエントロピーに変化はありません。
効率がηの時は不可逆過程で
Q₁/T₁<Q₂/T₂
となって、熱機関のエントロピーは常に増大します。

「エントロピー増大の法則」により無秩序になる系と、
秩序ある状態になる系の違いは 可逆か不可逆かです。

地球上や宇宙の現象は不可逆なので全てエントロピーは増大します。
ニュートンやアインシュタインは可逆で計算したので、エントロピーは
必要ありません。光は一直線に進むはずですが、実際は徐々に広がりながら
進みます。
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この回答へのお礼

助かりました

konjii さん、再びありがとうございます。

整理すると、
・ 可逆過程:系のエントロピーに変化なし
   ⇒ 秩序ある状態になる
・ 不可逆過程:系のエントロピーは増大「エントロピー増大の法則」
   ⇒ 無秩序な状態になる
という理解で正しいでしょうか?

お礼日時:2021/10/07 07:58

水と油が混ざったサラダドレッシングのような系では、


振って分散させても、比重分離(秩序ある系?)しますね。

振って分散させた時、水にも油にも仕事を加えています。目で見て元の
2層に戻っても、水層も油層もそれぞれ得た仕事分のエントロピーは増大
しています。
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この回答へのお礼

解決しました

Konji さん、繰り返しありがとうございました。

みなさんからありがたい回答を多く寄せていただきましたが、
可逆/不可逆という説明を寄せてくださったKonji さんの
回答No.6をベストアンサーとさせていただきます。

お礼日時:2021/10/09 07:21

そうです。

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この回答へのお礼

うーん・・・

konjii さん、ありがとうございます。

また疑問が沸いてきたのですが、
水と油が混ざったサラダドレッシングのような系では、
振って分散させても、比重分離(秩序ある系?)しますね。

chiha2525 さんが、重力が働く系(無視できない系)では、
「エントロピー増大の法則」は適用できないとコメントしてくれましたが、
この観点と可逆/不可逆はどう理解したらよいのでしょうか?

質問が終わらず申し訳ありません。

お礼日時:2021/10/08 07:25

熱の受け渡しでエントロピーは変化します。


系のエントロピー変化は必ず熱の出入りを伴います。それに伴い外部のエントロピーも変化します。
例えば、結晶化することで系のエントロピーは減少しますが、その際に凝固熱を外部に放出します。この時に外部のエントロピーが増大するのですが、この増大分が系のエントロピーの減少分よりも大きくなるのです。

閉じていない系の変化の方向を考える場合、圧力一定の系であればギプスエネルギーが低下する方に向かいます。
ギプスエネルギーはエンタルピーからエントロピーに絶対温度をかけたものを引いたものです。

熱の出入りがない(=エンタルピー変化がない)場合、エントロピーが増大するとギプスエネルギーは減少します。

熱を放出している場合(=エンタルピーが減少)、エントロピーが減少してもギプスエネルギーが減少する場合はエントロピーが下がる方向に変化します。
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この回答へのお礼

Thank you

rnakamra さん、回答を寄せてくださりありがとうございました。

エントロピー増大の法則は、
熱の出入りがない(あるいは無視できる)系に限定した話なのか、
と半分納得していたところでしたが、そもそも、

> 系のエントロピー変化は必ず熱の出入りを伴います。
なんですね。
むずかしいお話の部分は、後ほど勉強して理解に努めます。

お礼日時:2021/10/07 07:30

もう答は出ていると思うけど


エントロピー増大則は
熱の出入のある系では成り立ちません。
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この回答へのお礼

ありがとう

tknakamuri さん、お礼が遅くなりました。

> 熱の出入のある系では成り立ちません。
そうなんですね。

お礼日時:2021/10/07 07:24

粒子が液中に分散している系には、例えば牛乳のエマルジョンや


塗料のサスペンジョンがあります。エントロピー増大のエネルギーで
油の粒子や顔料の粒子を分散することは出来ません。
これらの粒子はくっつきあう力の方が遥かに大きいからです。
これらの粒子を分散させているのは、クーロン力です。
粒子をマイナスに帯電させて、くっつかない工夫をしています。
コーヒーのミルクはサラダ油を乳化させています。どのようにして帯電
させているか知りません。
凝集剤と言うのがあります。Na⁺<Mg²⁺<Fe³⁺の順で強くなります。
濁り酒から清酒を作るのは、灰を入れました。豆乳から豆腐を作るのは
Mg²⁺を入れています。大雨で濁った川の水も海へながれこむと直ぐに
濁りが消えるのも、海水のプラスイオンによるものです。
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この回答へのお礼

Thank you

konjii さん、いつも回答を寄せてくださりありがとうございます。

すみません。分散という例示が悪かったと反省しています。
水に水性インクをたらした事例だと、拡散しか起こらず、
エントロピー増大しかイメージできなかったので、

エントロピー増大に反する現象が、
同じ事例で起こり得るものとして分散系を取り上げました。
この粒子分散系という事例は取り下げさせていただきます。

お礼日時:2021/10/03 20:52

エントロピー増大の法則を「系は秩序から無秩序に」と言うだけのものと受け止めていたらそうなるでしょうね。

どんな法則もそうですが「同じ条件であれば」と言う前提が必ず付きます。なのでどんな場合であっても問答無用に「系は無秩序な状態に移る」と言うわけではありません。凝集のメカニズムに詳しいわけではありませんが、凝集した状態の方がエネルギーが低ければ「無秩序状態から秩序ある状態に」が自然に起こったとしても何ら不思議ではありません。
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この回答へのお礼

助かりました

finalbento さん、回答ありがとうございます。

> 凝集した状態の方がエネルギーが低ければ
> 「無秩序状態から秩序ある状態に」が
> 自然に起こったとしても何ら不思議ではありません。
そうなんです。うまく表現してくださいました。
秩序ある状態になるっていう物理現象って
いっぱいありますよね。

> エントロピー増大の法則を「系は秩序から無秩序に」
> と言うだけのものと受け止めていたらそうなるでしょうね。
そうですね。私が本質を理解できていない部分ですね。

ばらばらな方向を持った電子スピンが
一定の方向へそろい(磁化され)、
それが時間とともに消失していく、みたいなものだけを
イメージしてはいけないんですね。

お礼日時:2021/10/03 20:44

エントロピー増大の法則って、実は重力を入れると上手くいかない(成り立たない)んです。

まぁ重力は開放系で、件の法則は閉鎖系でしか成り立たないって言ってるだろってことになるんですけど、じゃぁ宇宙空間みたいなところでしか本来は成り立たない法則を、その辺の実験室で使っちゃっていいの?って話になるので、物理学者さんは触れたくないのかもしれません。



と私は思ってたりします。(実は良く知らないw)
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この回答へのお礼

ありがとう

chiha2525 さん、早速の回答ありがとうございます。
例示した系は開放系だから、
「エントロピー増大の法則」適用範囲外
ということでしょうか。
そういう理解はまったくしていませんでした。

お礼日時:2021/10/03 20:35

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