【エントロピーってなに？】物理好きの高校生の皆さんへ

高校生の皆さん「エントロピー」という言葉を耳にしたことがありませんか？物理の入試問題にエントロピーが出題されることはほとんどありませんが、気になっている人もいるでしょう。

簡単に説明してみます。

まず熱量Qについて考えましょう。気体に熱量Qを加えて仕事をさせる、あるいは内部エネルギーを増加させる。このQは保存量でしょうか。

状態1の熱量を何らかの形でQ1と決めたとします。状態1から状態2に変化したとして、状態2の熱量がQ2です。

ところが、Q2はどのような経路を通って1から2に至るかによって値が異なるのです（具体的には定積変化のあと定圧変化する場合と、定圧変化してから定積変化する場合を比べてみると良い）。

つまりQは保存量ではないのです。「状態Xの熱量はQXだ」と言うことはできないということです。言えることは「経路〇〇を通って状態1から状態2に変化したとき熱量変化はΔQだ」ということだけです。

ところが、Qが保存量でないにもかかわらず、Q/Tは保存量なのです！不思議ですね。そしてこのQ/Tをエントロピーと言うのです。

状態1から状態2に可逆変化するとき（可逆変化という条件がつく）Q/Tは一定の変化量になる。あるいは、状態1のエントロピーをS1だと決めると、どのような経路を通って状態2に至ろうと「状態2のエントロピーはS2だ」と言うことができるのです。

もう少し正確な話をするとエントロピー変化がQ/Tで計算できるのはTが一定のときだけです。Tが変化するときは、Tが変化しないと見なせるような微小変化について

ΔS=ΔQ/T

微分形式にして、積分すると

dS=dQ/T

S=∫dQ/T

になります。このSがエントロピーです。

高校生はこのようなことは知らなくて良いのですが、物理好きな子は好奇心をくすぐられたことでしょう。

分かっておくとよいことは

「熱量Qは保存量ではないが、エントロピーQ/Tは保存量になる」

ということです。

この先は大学に進学してからのお楽しみということで。