熱力学
熱力学は、異なる物体間の熱の動きを研究する物理学の一分野です。熱力学はまた、オブジェクトの圧力と体積の変化を研究します。統計学と呼ばれる数学のブランチは、しばしば粒子の動きを見るために熱力学で使用されます。
熱力学が有用なのは、非常に小さな原子の世界が、私たちが日常的に目にしている大規模な世界とどのようにつながっているかを理解するのに役立つからです。
熱力学には、古典的熱力学と統計的熱力学と呼ばれる2つの主要なブランチがあります。熱力学の重要な考え方は、熱力学系のことです。
熱力学系の例として、レンガがあります。レンガは多くの原子で構成されていますが、それらはすべて独自の性質を持っています。すべての熱力学系には、広範な性質と集中的な性質の2種類があります。レンガの場合、広範な性質とは、すべての原子を足し合わせて得られる性質のことです。同じレンガを2つ並べると、1つのレンガの2倍の質量があるので、体積、エネルギー、質量、電荷のようなものは広範な性質を持っています。レンガの集中的な性質は、すべての原子の平均値を見て得られるものです。温度、圧力、密度のようなものは、同じレンガを2つ並べても、1つのレンガだけでは同じ温度になるので、集中的な性質を持っています。
熱力学の法則
熱力学の4つの法則があり、エネルギーが熱の形で2つの物体の間をどのように移動することができるかを述べています。
- ねつりきがくのゼロスのほうそく
2つのシステムが前後に等しい熱流を持ち、2つのシステムのうちの1つが他のシステムと前後に等しい熱流を持つ場合、3つのシステムはすべて互いに等しい熱流を持つことになります。
システム内のエネルギーの増加は、熱や仕事の形でシステムに与えられるエネルギーと同じです。エネルギーは創造したり破壊したりすることはできず、変化するだけである。システムに与えられるエネルギーの量は、周囲から取り込まれるエネルギーの量と同じである。
異なる温度で接触している2つのシステムがあると、システムの温度が等しくなるまで、熱は熱いものから冷たいものへと流れていきます。
- 熱力学の第三法則
システムの温度が0ケルビン、絶対零度（最低温度）のとき、エントロピー（仕事をするのに使えないエネルギー）は0になっています。
熱力学の用途
以前は、蒸気機関をより良く動かすために熱力学が研究されていました。今では、エンジンの製造からブラックホールの研究に至るまで、熱力学のアイデアが使われています。
科学者は様々な理由で熱力学を利用しています。一つは、より良いエンジンや冷蔵庫を作るためです。もう一つは、日常的な物質の性質を理解して、将来的により強くするためです。熱力学は化学でも、どの反応がうまくいき、どの反応がうまくいかないかを説明するために使われています（この研究は化学動力学として知られています）。レンガのような大きな系の性質を説明するには、原子の単純なモデルがうまく機能するので、熱力学は強力です。
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質問と回答
Q:熱力学とは何ですか?
A:熱力学は、熱、温度、エネルギーの関係を研究する物理学の一分野です。
Q:熱力学では数学はどのように使われるのですか?
A:熱力学では、粒子の運動を見るために、数学、特に統計学がよく使われます。
Q:熱力学の応用にはどのようなものがありますか?
A:熱力学は、非常に小さな原子の世界が、私たちが日常目にする大規模な世界とどのようにつながっているかを理解するのに役立ちます。また、古典熱力学と統計熱力学と呼ばれる2つの主要な枝があります。
Q:熱力学系の例として、どのようなものがありますか?
A:熱力学系の例としては、それぞれの性質を持った多数の原子からなるレンガがあります。
Q:広範な性質とは何ですか?
A:広範な性質とは、体積、エネルギー、質量、電荷など、すべての原子を足し合わせたもので、同じレンガを2つ合わせると1つのレンガの2倍の質量になるからです。
Q:集中的性質とは何ですか?
A:集中的性質とは、温度、圧力、密度など、すべての原子の平均を見ることによって得られるもので、同じレンガを2つ合わせても1つのレンガだけのときと同じ温度になるからです。
