Kitune_Udonの日記： 表にはとても書けない愚痴 20
日記 by
Kitune_Udon
｢とある魔術の禁書目録｣(だったと思う)に、｢今の科学は真理の探究じゃ無くて『科学が真理』っていう宗教になってるからお前ら異教徒な｣と言って襲ってくる某宗教団体の方が居るのだが、これを見てそんなことを思い出した。
熱平衡状態なんて、よほど神経質に条件を整えないとあっという間に崩れるんだけど、どうにも彼のACの中では熱平衡が侵されざる領域になってるらしい。
と言うか、｢温度差云々は少なくとも熱放射においては関係が無い｣に対して｢熱平衡状態と放射は関係あります｣と返してくるのが何ともなぁ……
それはその作品の中の「今の科学」なんでしょうね (スコア:1)
著者は現実の科学もそうだと思っているかも知れませんが。
それはともかく
太陽電池で発電するのに温度差は必要か
という点について、ご自分の立場を明確にしたらいかがでしょうか。
もし「必要ない (=太陽電池は熱力学第二法則を破る)」とお考えなら、そう
表明していただければ、それ以上の無駄な議論を避けること出来るでしょう。
「必要だ」と言うのなら、議論のどこかで論点がずれているのでしょうから、
まず互いに、何を主張したいのかを確認したらいいと思います。
Re:それはその作品の中の「今の科学」なんでしょうね (スコア:1)
ええと、そもそもその2択が違っておりまして、私の答えは｢温度差は必要ない(ただし、同温/ないしより低温の物体から熱放射を受けるのに、熱力学第二法則を破る必要は無い)｣です。
SteppingWind氏も紹介していたシュテファン＝ボルツマンの法則 [wikipedia.org]の法則によれば、一定の温度を持つ物体が放射するエネルギーは温度の4乗に比例し、そこに｢放射対象の温度｣は関わりません。
ものすごく卑近なたとえをすれば、大きいストーブと小さいストーブを向かい合わせに照らした際、小さいストーブの出力が下がるようなことはありません。
で、放射された電磁波に当たった物体は電磁波の強度に応じたエネルギーを受け取ります。この際、熱源が自分より大きなエネルギーを持っているかどうかは関係ありません。
熱源が高温であろうが低温であろうが、物体が受け取るのはあくまで電磁波のエネルギー量のみ影響し、熱源のエネルギー量が大きくても受け取る電磁波のエネルギー量が少なければ、結果として受け取るエネルギーは少なくなります。
シリウスと炭火ではシリウスの方が遙かに高温ですが、七輪の近くに居る限り、炭火から受ける熱の方が遙かに大きいでしょう。
熱力学第二法則に関してはまず、熱放射のエネルギー収支について誤解があるかと。
そもそもの話として｢熱源は黒体放射によって常にエネルギーを失い続けている｣ので、熱源の持つエネルギーは何らかの方法で供給されない限り常に減り続けています。
件の太陽電池はあくまで｢熱源が放射によって失ったエネルギーの一部｣を電気に変えてるだけであって、熱源が熱を放射し尽くしてゼロKに達した際は発電できなくなります。
また、もし太陽電池が熱源よりも高温であった場合、太陽電池は必ず熱源から得られるエネルギー(熱+電気)よりも多くのエネルギー(熱)を熱放射によって失います。ですので、この場合に熱源によって太陽電池のエネルギー総量が増大する事はありません。
つーわけで、永久機関が作れる事も無ければ、エントロピーが凌駕されることもありません。
現実問題として、太陽電池が取り得る温度は300K前後が精々ですので、それと同温/もしくはより低温の熱源から来る放射で発電するのは到底現実的ではないとは思いますが。
質問が不十分だったようです (スコア:1)
というのは、あなたの答えは、明らかに第二法則が成り立たないと主張している
(ようにしか私には見えません)にもかかわらず、あなたはそれが第二法則を破っ
ていない、と主張しているので。
改めて聞きますが
(1) 太陽電池と抵抗、スイッチで回路を作って、スイッチは切っておく
(2) 全体を完全に断熱した容器に入れて、内部が熱平衡に達するまで待つ
(3) スイッチを入れる
* 熱平衡時の容器内の温度は、その温度に相当する輻射が、
通常であれば (断熱容器に入っていない常温の太陽電池
が同じ輻射を受けた場合は) 十分発電できるほど高いと
します。
このとき、太陽電池は発電しますか?
Re:質問が不十分だったようです (スコア:1)
発電に十分な熱放射が得られるのであれば、太陽電池は発電します。
一つ蛇足で付け加えておきますと、上記の例では、スイッチを入れた次の瞬間には太陽電池は受け取った熱エネルギーの一部を電気に変換して｢太陽電池が冷めます｣ので、その瞬間から熱平衡状態が崩れると言うことはご承知おきを。
よくわかりました (スコア:1)
> その瞬間から熱平衡状態が崩れると言うことはご承知おきを。
つまり、あなたは第二法則が破れると言っているわけです。
なぜかそう思っていないようなのが不思議ですが。
Re:よくわかりました (スコア:1)
私としては、｢熱を電気に変えるとその分の熱は失われる｣と言うだけで熱力学第二法則が破れるというのは非常に奇妙な主張に思います。
まあ、お互いの主張が相容れないことが分かっただけでもめっけものですが。
Re:よくわかりました (スコア:1)
それまで温度差がなかったのに、太陽電池は冷えて、抵抗は発熱するのですよね。
温度の低い方から高い方向へ熱が移動しているように見えますが、違うのですか?
これがクラウジウスの法則 (熱力学第二法則の表現の一つ) に抵触しないと考えられる理由が知りたいです。
Re:よくわかりました (スコア:1)
念のため、熱力学第二法則の一部をwikipediaから引っ張ってきます。
太陽電池が発電する際は内部光電効果によって物質の励起状態への遷移が発生し、その結果として電流が発生するわけですが、そのプロセスがクラウジウスの法則に言う｢他に何の変化もおこさない｣に抵触するとお考えでしょうか。
電子工学を囓った身としましては、物質の基底状態から励起状態への遷移は非常に重要な変化ですので、これを｢何の変化もおこさない｣に該当するという意見には賛同できません。
また、仮にこれがクラウジウスの法則に引っかかるとすると、熱を電気に変化させる太陽電池自体が、トムソンあるいはケルビンの法則の｢これを全て仕事に変える以外に，他に何の変化もおこさないようにするサイクルは存在しない｣に抵触することになりますので、今回の発表事態がガセと言うことになりかねません。
それ以外の部分になると、｢電気ストーブは熱力学第二法則を打ち破る夢の機関だ｣と言うことになりかねないので割愛します。
Re:よくわかりました (スコア:1)
> 物質の基底状態から励起状態への遷移は非常に重要な変化ですので
私が、ピストンやシリンダーで構成された怪しげな機械を持ってきて、
「これは外部からエネルギーの供給をせずとも低温側
から高温側へ熱を移動させてくれる夢のヒートポンプだ」
と主張したとします。当然、それは第二法則に反する、と言われるでしょう。
「動作の過程でピストンの位置が移動する。
変化が生じているのだから第二法則に反しない」
と主張すれば受け入れられるのでしょうか。
熱機関のピストンの位置は、サイクルを終えると元の位置に戻ります。元と同じ状態に戻っているのに、その間に熱が低温側から高温側へ戻っている、ということがクラウジウスの法則に反しているのです。
つまり、この「ピストンの移動」はクラウジウスの法則で言う「他の変化」に該当しません。
太陽電池には全体には明確なサイクルはありませんが、各原子(キャリアと言うべき?) は基底状態→励起状態→基底状態というサイクルを繰り返しているはずです。もし励起状態から元に戻らないなら、やがて飽和してそれ以上発電できなくなるはずですね。
つまり、あなたの言う「遷移」は、私のヒートポンプで言う「ピストンの移動」と同じで、やはりクラウジウスの法則で言う「他の変化」に該当しません。
クラウジウスの法則で言う「他の変化」は、熱の移動の過程で元に戻らず、蓄積していくような変化を指しています。
> 熱を電気に変化させる太陽電池自体が、トムソンあるいはケルビンの法
> 則の｢これを全て仕事に変える以外に，他に何の変化もおこさないように
> するサイクルは存在しない｣に抵触することになりますので、
その通り、というか、それが私がこれまで指摘し続けてきたことです。なにか問題がありますか?
もちろん、それが(現実の太陽電池のことだとすれば大問題ですが)。
Re:よくわかりました (スコア:1)
まさか物理的な移動を伴うものすら変化に含まれないというのは予想外でした。
それを認めてしまうと、スターリングエンジンはトムソンあるいはケルビンの法則に反する夢のエンジンになってしまいますね。
と言うか少なくとも相転移を伴わない単純な熱膨張は全てアウトになりますので、水銀温度計も第二法則突破です。
仮に物理エネルギーは置いておいて電気的な特性のみに絞ったとしても、やはりゼーベック効果がトムソンあるいはケルビンの法則を破ることになります。
問題は山積しているように見受けられますが。
何を言ってるのかわからないです (スコア:1)
スターリングエンジンが (ピストンの移動以外の) 変化なく低温側から高温側へ熱を移動させる、という事実でもあるんでしょうか?
> 少なくとも相転移を伴わない単純な熱膨張は全てアウトになりますので、水銀温度計も第二法則突破です。
何故そうなるのかさっぱりわからないです。
水銀温度計は低温側から高温側へ熱を移動させるのですか?
Re:何を言ってるのかわからないです (スコア:1)
トムソンあるいはケルビンの法則は｢一つの熱源から正の熱を受け取り、これを全て仕事に変える以外に，他に何の変化もおこさないようにするサイクルは存在しない｣であり、低温側から高温側へ正の熱を移動させるという条件は一切付いておりません。
熱の移動の過程で蓄積しない状態変化を｢他の変化｣として扱わないのであれば、熱膨張は正にそれに当たります。
熱を得た際にのみ膨張し、失った際に膨張したままの状態を維持しませんので。
そういった例としてスターリングエンジンや水銀温度計は尤もわかりやすい例かと思い挙げました。
ゼーベック効果も、与えられた条件が正であるならトムソンあるいはケルビンの法則を破る一例で挙げています。
あれも熱による物質の励起によって電流が発生しますので、振る舞いは光電効果とあまり変わりません。
あと、あまりに阿呆らしいので突っ込まなかったのですが、貴方が挙げた例は｢ピストンを動かすことで熱を移動させる機関｣であって、そもそも熱力学第二法則に抵触しません。
例の機関で問題になるのは｢どうやったら外部からのエネルギー供給無しに、高温側へ熱を供給できるようピストンを動かすだけの運動エネルギーを得るか｣で、熱力学第一法則の問題です。
ピストンが動いた時点で運動エネルギーによる仕事が発生しているので、その結果として熱の移動が発生していても何の不思議もありません。
例えばクーラーは、冷媒をピストンで圧縮することで一時的に冷媒の温度を上げ、結果として室内よりも高温の外気へと熱を捨てています。
そういった取違いへの皮肉としてもスターリングエンジンは挙げました。
やはりよくわかりません (スコア:1)
あなたの言うことを言い換えると、スターリングエンジンは、
「ピストンの移動 (とそれに伴うシリンダー内の圧力・温度の変化)」
以外の変化無しで、単一の熱源から熱を得て、それを全て仕事に変えられる、
ということになると思いますが、それでいいのでしょうか。
ピストン (およびシリンダー内の圧力・温度) の変化は蓄積しない (と認められたものと思います) ので、熱源から熱が供給される限り稼働できることになりますね。
これは第二種永久機関だと思うのですが、違うのでしょうか?
Re:やはりよくわかりません (スコア:1)
貴方が言った、｢「他の変化」は、熱の移動の過程で元に戻らず、蓄積していくような変化を指しています｣を文字通りに解釈するとそうなりますね。
スターリングエンジンは物質の熱膨張を利用したピストン機関で、正に｢ピストンが行って戻る｣だけの機構しかありませんので。
で、そうなるとスターリングエンジンには他に何か変化が起きていないと第二法則を破るわけですが、じゃあスターリングエンジンに起きてる｢変化｣は何？ と言う話です。
どちらかと言えばその下のゼーベック効果の方が本題で、ゼーベック効果も今回の太陽電池も、熱を受け取って物質の励起状態が発生し、その結果として電流が生まれます。
物質の励起が｢変化｣として認められないのであれば、ゼーベック効果も｢変化無しに｣稼働するわけですが、ゼーベック効果は第二法則に反してるのか否か？
｢反している｣と言うのであれば私と貴方は文字通り住む世界が違いますし、｢反していない｣のであれば熱励起と光電効果による励起にどんな差異があるかお聞かせ願いたい。
Re:やはりよくわかりません (スコア:1)
スターリングエンジンや、ゼーベック効果は
単一の熱源から正の熱を受け取って全て仕事に変える
のですか?
Re:やはりよくわかりません (スコア:1)
貴方の主張では、少なくとも熱移動の過程で元の状態に戻る物は変化と認められませんので、全て仕事に変わっていることになりますね。
実際にはスターリングエンジンは圧縮/伸長の度に熱を失って途中で止まりますし、ゼーベック効果も熱を取り上げると励起状態から基底状態に遷移してそこで発電が止まりますが。
私の知る限り過剰な熱を加えさえしなければ、上記2つの装置で不可逆な変化が起きるという話を聞いたことがありません。
量子レベルではどうか知りませんが、それを言うと光電効果の方も励起した電子と基底状態に落ち着いた電子が同一かなんて誰にも分かりませんし。
Re:やはりよくわかりません (スコア:1)
スターリングエンジン [nmri.go.jp]もゼーベック効果 [hakko.co.jp]も高温側と低温側の２つの熱源を必要とし、高温側から受け取った熱の一部を低温側に渡す (つまり低温側から受け取る熱量は負) ことで、その差を仕事 (ゼーベック効果の場合は電気) に変える装置だと理解しています。
熱源は単一ではないし、高温側から受け取った熱の一部を低温側に渡すのですから、受け取った熱の全てを仕事に変換することもできません。
あなたの言う所のスターリングエンジンやゼーベック効果は (おそらくは太陽電池も) 私の知っているそれらとは違うものなのだろうと考えざるを得ません。
Re:やはりよくわかりません (スコア:1)
低温側に熱を渡しているからと言って｢受け取った熱の全てを仕事に変換していない｣事にはなりません。高温側から装置に渡された熱量と装置から低温に渡された熱量の差異を全て仕事に使えるのであれば、｢熱差を仕事に変える装置｣と｢仕事を熱差に変える装置｣の2つを連動させれば簡単に永久機関が誕生します。
と言うか、トムソンあるいはケルビンの法則はカルノーの定理が元になっているので、当然ながら高熱源と低熱源が存在するモデルも考慮に入れて定められています。
Re:やはりよくわかりません (スコア:1)
申し訳ありません、テンパり過ぎて自分でもよく分からないことを書いておりました。
もう寝ます。