クエリ: 「熱力学の第一法則」とも呼ばれる、物理学において、エネルギーの総量は変化しないという法則を何という?
文章: エネルギー保存の法則 1850年、ルドルフ・クラウジウスは論文 ber die bewegende Kraft der Wrme”の中で熱力学第一法則について完全な形で述べた。1905年にアルベルト・アインシュタインは、Annus Mirabilis papers の一つの Ist die Trgheit eines Krpers von seinem Energieinhalt abhngig?”において、質量とエネルギーが交換可能なのではないか、という提案を行った。これをきっかけとして、物理学が大きく変容していくことになった。「エネルギー」や「物質」という概念自体が大きく変わっていくことになったのである。特殊相対性理論において、質量はエネルギーの一形態であり、E=mc2 という式の関係が成り立っている。
文章: ホログラフィック原理 2003年8月号のサイエンティフィック・アメリカンの記事"ホログラフィック宇宙の情報" (Information in the Holographic Universe) において、ベッケンシュタインは、"熱力学的エントロピーとシャノン・エントロピーは概念的に等価である:ボルツマン・エントロピーによって数え上げられる配置の数は物質とエネルギーの任意の特定の配置を実現するのに必要なシャノン情報量を反映している..."と要約している。物理の熱力学エントロピーと情報のシャノン・エントロピーの間の唯一の目立った相違は計測単位にある。すなわち、前者はエネルギーを温度で割った単位で表現され、後者は本質的に無次元な情報の"ビット"で表現されるが、これらの相違は単なる慣習の問題である。 文章: ブラックホール情報パラドックス 2つの主な原理が存在する。この2つの組合せは、情報が常に保存されなければならないことを意味する。1970年代から、スティーブン・ホーキングとヤコブ・ベッケンシュタインは、一般相対性理論と量子場理論に基づき、情報の保存に矛盾するように見えるブラックホール熱力学を創始した。特に、ホーキングの計算は、ホーキング放射によるブラックホールの蒸発が情報を保存しないことを示した。今日では、多くの物理学者が、ホログラフィック理論(特にAdS/CFT対応)がホーキングの誤りを示し、情報は実際は保存されると信じている。2004年、ホーキング自身も賭けに負けたことを認め、ブラックホールの蒸発は、実際は情報を保存していることに同意している。 文章: 運動量 が成り立つ。 つまり、この系では系の全運動量は時間的に変化しない。これは運動量保存の法則 (law of conservation of momentum) と呼ばれる。運動量保存の法則は、ニュートン力学においては作用反作用の法則から導かれるが、運動量保存則自体は作用反作用の法則より一般的に成り立つ法則である。たとえば、電磁気学などの場の理論では近接作用論の立場をとり、遠隔作用論的な法則である作用反作用の法則をその基礎には置かない。しかしながら、電磁気学においても運動量保存の法則は成り立ち、それに伴い運動量の定義も拡張される。 文章: 自由エネルギー 自由エネルギーとは、熱力学における状態量の1つであり、化学変化を含めた熱力学的系の等温過程において、系の最大仕事(潜在的な仕事能力)、自発的変化の方向、平衡条件などを表す指標となる。 自由エネルギーは1882年にヘルマン・フォン・ヘルムホルツが提唱した熱力学上の概念で、呼称は彼の命名による。一方、等温等圧過程の自由エネルギーと化学ポテンシャルとの研究はウィラード・ギブズにより理論展開された。 等温等積過程の自由エネルギーはヘルムホルツの自由エネルギーと呼ばれ、等温等圧過程の自由エネルギーはギブズの自由エネルギーと呼びわけられる。ヘルムホルツ自由エネルギーは F で表記され、ギブズ自由エネルギーは G で表記されることが多い。両者の間には G = F + pV の関係にあり、体積変化が系外に為す仕事 pV の分だけ異なる。 熱力学第二法則より、系は自由エネルギーが減少する方向に進行する。また、閉じた系における熱力学的平衡条件は自由エネルギーが極小値をとることである。 文章: 熱 熱はエネルギーの移動形態の一つである。スコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルは1871年、「熱」の現代的定義を初めて発表した。マックスウェルの熱の定義は4つの規定で概説される。1つ目は熱力学第二法則によるもので、「(熱とは)ある物体から別の物体へ伝達される何か」だという規定である。2つ目は熱を数学的に扱うための「測定値」の規定である。3つ目は、熱が力学的仕事のような物質的でない何かに変換されることもあるため、「(熱を)物質として扱うことが出来ない」という規定である。最後は、「(熱は)エネルギーの1つの形態である」という規定である。 物体間で仕事を通じて移動する以外のエネルギーの移動形態を熱という。「熱」という形態を通して移動したエネルギーの量を「熱量」という。 熱は物体内に蓄えられるものではない。仕事と同様、それはある物体から別の物体への「エネルギーの移動」としてのみ存在する。熱の形で系にエネルギーを加えると系を構成する原子や分子の運動エネルギーや位置エネルギーの形をとる。 文章: レイリー・ジーンズの法則 レイリー・ジーンズの法則(レイリー・ジーンズのほうそく、英: RayleighJeans Law)は、黒体輻射におけるエネルギー密度の理論式の1つである。レイリー・ジーンズの公式とも呼ばれ、イギリスの物理学者であるレイリー卿とジェームズ・ジーンズに因む。レイリー・ジーンズの公式は黒体から熱放射される電磁波、すなわち輻射場のある温度におけるエネルギー密度のスペクトル分布を与える。輻射場を一次元調和振動子の集まりとして扱い、古典統計力学を適用することで導かれる。この公式が適用できるのは長波長(低振動数)の限られたスペクトル領域のみであり、不完全な理論式である。全スペクトル領域で成り立つ完全な理論式は、量子論に基づくプランクの公式によって与えられる。しかしながら、レイリー・ジーンズの公式は古典物理学の限界を浮き彫りにし、輻射の理論や現代物理学の発展に重要な役割を果たした。 文章: 熱 熱に関連する内部エネルギーという用語は、物体の温度を上げることで増加するエネルギーにほぼ相当する。 熱 Q {\displaystyle Q} は系の内部エネルギー U {\displaystyle U} とその系がなす仕事 W {\displaystyle W} とに関係し、熱力学第一法則によれば次のようになる。 すなわち、系の内部エネルギーは仕事によっても熱力学的系の境界を越えた熱流によっても変化する。より詳細に言えば、内部エネルギーとは系内の微視的形態のエネルギーの総和である。それは分子の構造や分子の活動度と関連し、分子群の運動エネルギーと位置エネルギーの総和と見なすことができる。それは次のような種類のエネルギーで構成される。 文章: ヘスの法則 ヘスは硫酸と水を様々な割合で混合し、各々の組み合わせに対して反応熱を測定した。これより、化学反応の反応熱は反応前後の状態のみで決まり反応経路によらず一定であることを実験的に確認した。 現代の化学では、化学反応の生成熱(より厳密にはエンタルピー変化)は反応経路にかかわらず一定と言い表すことができる。もともとエンタルピーは状態量であるから、熱力学第一法則からヘスの法則は容易に誘導されるともいえる。(エンタルピーは後世の概念である事に留意。) ヘスの法則の示すところは、化合物AがBに変化する反応熱は、化合物Aの生成熱と化合物Bの生成熱から決定できることを意味しており、同様にして少数の既知の反応エンタルピー変化を用いて、未知の反応のエンタルピー変化を導くことも可能である。 文章: ジュールの法則 ジュールの法則(ジュールのほうそく、英: Joule's laws)は、電流によって生み出される熱についての法則。または理想気体の圧力、体積、温度についてのエネルギー依存の法則である。 ジュールの第一法則は導体を流れる電流と、電流によって生み出される熱の関係を示した物理法則である。ジュール効果ともよばれる。1840年代に電流と発熱の関係を研究したジェームズ・プレスコット・ジュールから名づけられた。公式は Q = I 2 R t {\displaystyle Q=I^{2}\cdot R\cdot t} 文章: 熱化学 熱化学(ねつかがく、英語:thermochemistry)または化学熱力学(かがくねつりきがく)は、物理化学の一分野で、化学反応におけるエネルギー変化を主に熱の観点から追究する学問である。化学反応はエネルギーの放出や吸収を伴い、融解や沸騰といった相転移も同様のことがおこる。熱化学はこれらのエネルギー変化、特に系と外界とのエネルギーのやり取りに焦点を当てる。熱化学は与えられた一連の反応を通した反応物と生成物の量を予測するのに有用である。エントロピー決定と組み合わせることで、反応が自発的であるか非自発的であるか、すなわち有利か不利かを予想することもできる。 吸熱反応は熱を吸収し、発熱反応は熱を放出する。熱化学は熱力学の概念と化学結合の結合エネルギーの概念を組み合わせたものである。一般に、熱化学の主題は熱容量、燃焼熱、生成熱、エンタルピー、エントロピー、自由エネルギー、カロリーと言った量の計算を含む。 熱化学の分野を作り上げた人物の一人として、ヘスの法則などで知られるジェルマン・アンリ・ヘスが挙げられる。 文章: ジェームズ・プレスコット・ジュール ジュールは、ユリウス・ロベルト・フォン・マイヤー、ヘルムホルツと共に、エネルギー保存則(熱力学第一法則)の発見者とみなされている。特に、熱の仕事当量を実験的に算出した功績は大きく、ジュールの業績の筆頭としてあげられる。 他にも、1840年代はジュールの法則の発見や、磁性体を磁化することにより、わずかな変形が生じるという磁歪の発見などの業績をあげている。 1850年代以降は、熱力学の中心人物はトムソンらに移ってきて、ジュールは以前の熱の仕事当量ような大きな業績はあげられなかったが、それでも、ジュール=トムソン効果や、グー=ジュール効果の実験などの成果を出している。 文章: 熱力学第三法則 熱力学第三法則(ねつりきがくだいさんほうそく、英語: third law of thermodynamics)とは、完全結晶のエントロピーは絶対零度ではすべて等しくなる、という定理。これはつまり、エントロピーの基準値を決めることができることを意味する。統計力学的に考えても、絶対零度では完全結晶の取りうる配置は1通りなので、エントロピーは0と考えて一致する。熱力学第三法則はネルンストの定理(熱定理)と同等といわれている。 文章: 全か無かの法則 全か無かの法則は、筋繊維(筋線維とも)や神経繊維(神経線維とも)に見られるものである。これらの部分は、刺激に対して一定の反応を返す神経であれば、それは興奮であり、筋繊維では収縮である。これらは、いずれも、その程度に様々な差があり、たとえば生物において、他のものに力を及ぼすのは筋繊維の収縮によるし、その力は状況に応じて調節されるものである。ところが、それらの個々の構成要素においては、そのようなことは見られない。加えられた刺激が限界値(閾値)より弱い場合は全く反応しない。そして、閾値に達すると反応するが、その大きさは最大限度であり、それ以上に刺激を強めても、反応は大きくならない。つまり、反応しないときは一切反応せず(無)、反応するときには完全に反応し(全)、その反応にはこの両極端しか存在しない、ということを示した法則である。 文章: 時間結晶 時間結晶は熱力学の法則には逆らわない。全体の系のエネルギーが保存されているのでそのような結晶は自発的に熱エネルギーを機械的な仕事に変換することはなく仕事の永久保存としては役に立たない。しかし、系が維持されている限り時間の固定されたパターンで永久に変化することがある。それらは「エネルギーなしの動き」を持っている(それらの見かけの動きは従来の運動エネルギーを表していない)。 熱平衡において時間結晶は存在しないことが証明されている。近年、非平衡量子揺らぎの研究が増えている。 文章: 平衡熱力学 平衡熱力学(へいこうねつりきがく、英: Equilibrium Thermodynamics)は、熱力学的平衡の観点から系における物質やエネルギーの変換を体系化する物理学の一分野である。平衡という言葉は、静的な状態が保たれていることを意味する。平衡熱力学はカルノーサイクルを分析することから始まった。熱機関について考えると、初めは内部が熱平衡にあるシリンダーに封入された気体が加熱されてバランスを崩され、いくつかの段階を経て最終的に再び熱平衡に至り、仕事が引き出されることがわかる。 平衡状態では熱力学ポテンシャルあるいは系の駆動力が平衡熱力学の主な目的は系において熱平衡にある初期状態(英語版)がしっかり定義されているとき、その条件を正確に記述し、計算し、熱力学的操作(英語版)によって条件が変わった後に到達した新たな平衡がどんな状態であるかを記すことである。平衡状態は熱力学関数の最大値及び最小値(これらは系に加えられた条件に依存する)を探すことで、数学的に確かめられる。例えば、定温定圧での化学反応では平衡時にギブズの自由エネルギー(英語版)は最小に、エントロピーは最大になる。 熱力学は非平衡熱力学(英語版)とは以下の点で異なっている。後者は調べる系の状態が均一ではなく、拡散によってエネルギーやエントロピー、温度が場所によって変わり、分布が勾配になっている。対して平衡熱力学では、系の状態は常に一様であり、温度や圧力、体積などが巨視的に決められる。系の変化は最初の平衡状態と最後の平衡状態の差で求められる。このような変化を熱力学過程(英語版)と呼ぶ。