4.1 可逆変化と不可逆変化
ある状態Aから出発して別の状態Bに変化する場合，BからAに周囲に何の影響も残さ ずに戻ることができるとき，この変化を可逆変化（reversible change）という。準静的変 化は可逆変化であった。したがって，カルノー・サイクルはすべての変化が準静的であり，
可逆な循環過程である。カルノー・サイクルには，すべての変化を逆に辿らせる逆カルノ ー・サイクルが存在する。
図 4.1のように，逆カルノー・サイクル は，低温熱源から熱量Q1を吸収すると同時 に，外部から仕事W をされ，高温熱源に熱 量Q2を放出する。
これに対し，どんな方法を用いてもこの ようなことができない変化を不可逆変化
（irreversible change）という。
物体が摩擦のある床上を滑る現象は不可
逆である。床上を滑っている物体は摩擦のために周囲に熱を発散し，しばらくすると止ま る。しかし，止まっている物体が，周囲に発散した熱を吸収して動き出し，周囲の環境を 含めて元の運動状態に戻ることはない。また，図4.2のように，A室に気体が入れられ，B 室が真空に保たれている状態で，A室とB室の間の壁を取り去ると，気体はA室とB室の 全体に広がるが，逆に，全体に広がっている気体を周囲に何の影響も残さずにA 室に集め ることはできない。
【発展】☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
4.2 熱力学第２法則
熱力学第２法則（second law of thermodynamics）は，エネルギー保存則である第１法 則とは異なり，力学法則からその成立がはっきりと示されるものではなく，経験的に知ら れている法則である。この法則は，いろいろな形で表現され，それらの間の等価性が示さ れている。
クラウジウスの原理
「低温の物体から熱をとり，高温の物体に熱を与える以外，
真空
図4.2
A B A B
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周囲に何の変化も残さないことは不可能である」
これをクラウジウスの原理（Clausius theorem）という。
冷蔵庫やクーラーは，低温の空気から熱を奪い，高温の空気に熱を与えるが，その際，
外から仕事（電気的エネルギー）をしている。
この原理は，次のように言うこともできる。
「熱伝導によって，高温の物体から低温の物体に熱が流れる現象は不可逆である」
トムソンの原理
「１つの熱源から熱をとり，これをすべて仕事に変える装置は存在しない」
これをトムソンの原理（Thomson theorem）という。
トムソンの原理に反する装置，すなわち，１つの熱源から熱量Qをとり，これをすべて 仕事Wに変える装置があったとすると，QWより，熱機関の効率は，e 1となる。し たがって，トムソンの原理は，e1となる装置は存在しないことを述べている。
クラウジウスの原理とトムソンの原理は等価であることが示されている2。 エントロピー増大の法則
クラウジウスの原理またはトムソンの原理から導かれる重要な法則にエントロピー増大 の法則（increase law of entropy）がある。この法則は，次のように述べられる。
「断熱系で不可逆な状態変化が起こると，エントロピーは必ず増大し，
可逆変化では，エントロピーの変化はゼロである」
エントロピーS は，系が熱平衡状態にあるときに決まる状態量であるが，統計力学的に は，微視的な状態数W とボルツマン定数k を用いて，
W k S log
と表すことができる。これをボルツマンの関係式（Boltzmann’ relation）という。秩序の ある系でW は小さく，無秩序な系でW は大きくなる。したがって，エントロピー増大の法 則は，
「自然界はつねに無秩序な方向に動く」
ことを表している。
図4.2のように，壁で囲まれたA室に気体を入れ，壁で隔てたB室を真空にしておき，
A, B両室を隔てている壁を取り除くと，気体は全体に広がり，どちらか一方の部屋に集ま
ることはない。なぜなら，気体分子が片方の部屋にすべて集まるよりも，全体に広がる方 が無秩序な状態であり，全体に広がる方が，確率的に確からしい状態であるからである。
したがって，エントロピー増大の法則は，一種の確率法則であると言える。
永久機関
１サイクルの間に外部に正の仕事をするだけで，それ以外はすべて元に戻るような，仮 想的な熱機関を第１種永久機関（perpetual motion machine of the first kind）という。第
2 ここでは，その証明に踏む込まないことにする。
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一種永久機関は，つねに正の仕事をつくり出し続けるので，エネルギー保存則に反し，存 在しない。一方，１サイクルの間に１つの熱源から熱を受け取り，これをすべて仕事に変 える熱機関を第２種永久機関（perpetual motion machine of the second kind）という。熱 力学第２法則は，トムソンの原理にしたがって，
「第２種永久機関は存在しない」
と言い表すこともできる。
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波動・光学
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