エントロピーの解釈について

質問

冬季課題でエントロピーの解釈について困っています。

例えば、水を固体から液体にすると、
・熱量：大きくなる
・乱雑さ：大きくなる
ですから、エントロピーは熱量が大きくなるにつれて大きくなります。

対して、輪ゴムでは、縮んだ状態から伸ばすと、
・乱雑さ：小さくなる
・熱量：大きくなる（唇に当ててチェックしてみました＾＾；）
ですから、エントロピーは熱量が大きくなるにつれて小さくなります。

この２つが互いに違っていて、理解しづらいので誰か分かる方、
すぐに混乱しちゃいそうなので、懇切丁寧に教えてください。

あと、過冷却のことなんですが、過冷却をエントロピーによって
解釈すると、

・液体→液体＋固体　でエントロピーが上昇

となるのか

・溶媒＋溶質の混合物→溶媒だけが選別されて凝固していくから
　エントロピーは減少

となるのか、どうなのでしょうか。
もし、一方が違うなら、なぜそれが違うのかもできれば教えてください。

以上の２点。一方のみでもいいので、誰か教えてください。
課題の提出日が迫っているので、できるだけ早くしていただけると幸いです。

回答No.2

psa29 · ベストアンサー

まず、0℃の氷に熱を加えて、0℃の水に変化させた場合を考えましょう。
この変化をさせるのに外部からＱ（cal）の熱を加えたとします。
（現在は、熱の単位として（cal)より（Ｊ）の方が良いと思いますが・・・）
この場合、固体から液体へ変化していますが、温度は変化していません。
このときＱ／273だけエントロピーが増大しています。
273は0℃に対応した絶対温度ですよね。

輪ゴムを伸ばしたときに発熱することはご自分で確認したのですよね。
初め室温だった輪ゴムを伸ばすと発熱して、そのままにしておくと室温になります。
つまり、伸ばす前と伸ばした後で、輪ゴムはどちらも室温です。
この場合、熱は輪ゴムから外へ出て行きました。
先ほどの氷の場合は、水に溶けるために熱が外部から氷に注入されましたが、ゴムを伸ばした場合は、反対に熱がゴムから外部に逃げていきました。
つまり、ゴムを伸ばした場合は、エントロピーが減少しているのです。
どれだけ減少したか？
伸ばす前も、伸ばした後も室温になるのですから、外に逃げた熱量を室温で割った値です。
輪ゴムを伸ばすとエントロピーが減少する訳ですが、手を離すとエントロピーが増大する方向へ進みことになります。つまり縮むのです。
伸ばしたゴムが縮もうとする原動力は、エントロピーを増大しようとするものなのです。
室温でのゴム分子は、熱運動によって激しく運動しており、常に形態を変化させています。
これを伸ばすことによって、無理矢理整列させようとするのですから、エントリピーは減少するのです。
激しい熱運動のゴム、つまり温度の高いゴムの方が整列させるのは大変になりますよね。
ですから、ゴム弾性（エントロピー弾性）は、温度が高いほど弾性率が高くなるのですよ。
もちろん、温度を高くしすぎて、流動などが生じたら話は異なってしまいますが・・・
輪ゴムに重りをつけて、冷蔵庫に入れたりドライヤーで暖めたりしてみてください。
温度が下がると伸びて、暖めると縮む、つまり低温で弾性率が小さくなり、高温で弾性率が大きくなることが確認できますよ。
過冷却に関しては申し訳ありませんが、質問の趣旨がよく分からなかったのでパスします。

お礼

あぁっ！

すごく、よく分かりました！！
弾性の件は少し難しかったんですが、理解できました！

分かりよい説明、ありがとうございます！
過冷却については、エントロピーの解釈をもう一度振り返ってみることで、何とか自分で解決できそうなので、もう一度自分で考えてみます。

ありがとうございました！＼＾ー＾／

回答No.1

kt1965

熱力学というか、統計力学の基本法則であるエントロピー法則についての質問だと思って答えましょう。

ただし、宿題に相当する質問なのでヒントだけにします。参考文献なども書いておきますから、一応書籍を読んでキチンと参考文献などもレポートに記載してください。

後の課題の場合には、輪ゴムの分子構造が影響します。果たして、輪ゴムは完全弾性変形なのでしょうか？伸ばすと僅かながらに大きくなるはずです。よって、エントロピーは増大しているはずです。

また、過冷却の場合には周囲から熱を奪うという反応です。だから、頭を冷やすなどの道具に使われるのだと思いますが、実際には元の分子を作るところでかなりエントロピーを高くしているはずです、それが有る一定温度になるところまで戻るという反応のはずです。

この質問の回答については、次の参考文献によって書いています。
Feynman, Legighton, Sands, Lecture on Physics -Vol.2-, Addison Wesley, 1989
藤原邦夫、兵頭俊夫著、熱学入門、東京大学出版会、1995

お礼

うぅん……。
なんだか、全ての文章が分かりませんでした。

とりあえず、“分からない”と分かる点は「伸ばすと大きくなるのか」ということと、「大きくなるとエントロピーは大きくなるのか」ということだけでした。

回答して下さったのに、申し訳ないですが、ほとんど理解できなかったです。
ごめんなさい……。

参考文献ですが、

Feynman, Legighton, Sands, Lecture on Physics -Vol.2-, Addison Wesley, 1989
藤原邦夫、兵頭俊夫著、熱学入門、東京大学出版会、1995

どれがその書籍の名前なのかもあまりよく分からなかったもので、調べてもあまり出てきませんでしたし、提出が近いので知識を積む分には問題ないのですが、今レポートを完成させる分には、読む時間があまりなさそうで、その情報を活用することができなさそうです。
Webページなら、頑張って読もうとは思うのですが……。

本当にごめんなさい。