熱力学的エントロピー
熱力学的エントロピーとは、原子や分子の系の中にどれだけ組織化されたエネルギーが存在するか、あるいは組織化されていないエネルギーが存在するかを示す尺度です。これは、単位ケルビンあたりのエネルギーのジュールで測定されます。エントロピーは、熱力学の第三法則の重要な部分です。
ある分子のグループが10単位のエネルギーを持っていると想像してみてください。これらの分子のエネルギーが完全に組織化されていれば、分子は10単位の仕事をすることができます。しかし、エネルギーの組織化が弱くなった（つまりエントロピーが大きくなった）とすると、10単位のエネルギーを持っているにもかかわらず、分子は6単位の仕事しかできなくなるかもしれません。
全エントロピーになると、使うエネルギーがなくなります。その良い例が、熱いお茶のカップです。お茶は、お茶がある部屋と比較して多くのエネルギーを持っています。時間の経過とともに、お茶の熱が部屋に広がります。すると、お茶は冷たくなります。これは、お茶の中のエネルギー（熱）が周囲に移動するためです。お茶が冷たくなってしまうと、熱を拡散させることができなくなってしまいます。お茶は完全なエントロピーに達しています。
この「部屋」には2つのタイプがあります。オープンシステムとクローズドシステムです。オープンシステムとは、エネルギー（熱のようなもの）が自由に出入りできることを意味します。クローズドシステムとは、部屋が外部から遮断されていることを意味し、エネルギーが出入りできないことを意味します。
お茶の場合、部屋は閉じたシステムになっていて、エネルギーが入ることはありませんでした。しかし、部屋の中にヒーターを置くことで、オープンなシステムにすることもできます。ヒーターをオンにすれば、その熱を使ってお茶を温め直すことができます。新しいエネルギーが部屋に入ってきました。このようにしてエントロピーは減少しました。ヒーターからお茶に入った熱は、完全なエントロピーに達するまで、再び部屋の中に移動することができます。これが熱力学の第二法則です。
開放的なシステムの実際の例として、地球があります。地球は毎日太陽から多くのエネルギーを得ています。これにより、植物は成長し、水は液体のままでいられるようになります。もし私たちが太陽を奪ってしまったら、植物は枯れてしまいますし、地球の表面が寒すぎて水が凍ってしまいます。
質問と回答
Q:熱力学的エントロピーとは何ですか?
A: 熱力学的エントロピーとは、原子や分子の系に存在するエネルギーがどの程度組織化されているか、あるいは無秩序であるかを示す尺度です。単位ケルビンあたりのエネルギーのジュール数で測定されます。
Q: 熱力学の第3法則は何を示しているのですか?
A: 熱力学の第三法則では、全エントロピーに達すると、それ以上使うべきエネルギーがなくなるとされています。
Q: 文中に出てくる2種類の「部屋」とは何ですか?
A:本文中に出てくる2種類の「部屋」は、開放系と閉鎖系です。開放系とは、エネルギー（熱など）が自由に出入りできる状態をいい、閉鎖系とは、外から遮断され、エネルギーの出入りができない状態をいいます。
Q: 新しいエネルギーは、総エントロピーにどのような影響を与えるのですか?
A: 新しいエネルギーは、システム内をより整理することができるため、総エントロピーを減少させます。例えば、冷たいお茶が入った部屋に暖房器具を置くと、その熱でお茶を温め直すことができます。これは、部屋に新しいエネルギーをもたらし、その総エントロピーを減少させます。
Q: 開放系の例を挙げてください。
A: 開放系の例として、地球が挙げられます。地球は毎日太陽から多くのエネルギーを得ているため、植物は成長し、水は液状を保つことができます。
Q: 全エントロピーが達成されると、熱いお茶のカップにどのような影響があるのでしょうか?
A: 熱いお茶のカップが全エントロピーに達すると、拡散できる熱量がなくなるので、すべての熱が周囲に移動し、冷たくなります。
