水滴のエネルギーはどこに行ったか?(熱力学第2法則と不可逆現象)






* 上記のシミュレーションで粒子間の引力は考慮していない。

水滴のエネルギーはどこに行ったか?

水滴の自由落下を考えてみましょう。巨視的な観点から、落ちる水滴は、時間に応じて位置が変わります。この場合、水滴が運動すると言います。そして、その運動エネルギー( \( =\frac{1}{2} m \upsilon^{2}\))を計算することができます。
この水滴が地面にぶつかると、水の分子の運動の方向は完全にランダムに変わります。今、水滴は床に停止しているので、運動エネルギーは、「0」になります。この水滴のエネルギーは粒子の平均運動エネルギー(絶対温度に比例する値)のみ計算することができます。個々の粒子の運動エネルギーは、統計的な分布のみ意味を持ちます。
最終的には、水滴の運動エネルギーは熱エネルギーに変換されたものです。

非可逆現象

真空中で運動する素粒子のように元の状態に戻ってくることができる現象を「可逆現象」といいます。
しかし、ほとんどの自然現象は、ただ一方向のみに起こる「非可逆現象」です。

上記の水滴の例を見ると、床に落ちた水滴が熱エネルギーを利用して自ら跳ぶことができますか?
もし、多くの水の分子が一方向に運動するなら、水滴は跳ぶことができます。しかし、水の分子は、それぞれ無秩序な動きをするので、このようなことは起こりません。(可能性がほとんど「0」と言います。)
このように、ほとんどの自然現象は、一方向にのみ起こる不可逆現象です。