宇宙は、開放系ですか？それとも閉鎖系ですか？

質問

宇宙は、開放系ですか？
だとすると、今も、宇宙は、膨張しているという
ことなんでしょうか？

閉鎖系だとすると、いつかは、宇宙は、熱平衡状態に
なってしまうということでしょうか？？

それから、
熱力学の第２法則とエントロピーの法則は、
違うものなんでしょうか？
同じように考えてしまうのですが・・・

秩序あるものが、無秩序へ向う・・・
というふうに漠然と解釈しているんですが・・・

どなたか、詳しい方、教えてください。

回答No.5

vitaminQ · ベストアンサー

●熱の移動とエントロピー変化について

No.2のpsa29さんの回答にもありますが、おおざっぱにいうと「熱の出入り」というのは「乱雑なエネルギーの出入り」のことなのです。なので、熱が加えられるということはより乱雑になる（＝エントロピーが増大する）ということなのです。
ただ、（ちょっと逃げた回答になりますが、）エントロピーと熱の移動をより明快に関連付けたいのならば、やはり数学的な記述が必要不可欠になってきます。

●宇宙と地球のエントロピー変化について
宇宙全体が閉鎖系だとしたら、時間が進むにつれてエントロピーは増大するか、あるいは一定のまま変化するかで、減少することはありません。

宇宙は閉鎖系だという想像は自然ですが、宇宙が閉鎖系という確証は得られていないという話を聞いたことがあります（私はこのあたりは詳しくないので不確かなのですが）。（いまGoogleで調べてみると「宇宙は閉鎖系で・・・」という記述がいくつか見つかりました。ただ信頼できる情報源かどうか分からないので。）

地球は地球外とのエネルギーの出入りがあるため、確かに開放系ですが、地球のエントロピーが減少しているか増加しているか、あるいは一定かは、ちょっと私の知識がないためわかりません。地球科学の専門家なら分かるのかもしれません（まだ分かっていないかもしれない）。

●宇宙の膨張について
ちなみに、宇宙が「膨張している」ことと「開放系である」ことには関係はないのではないでしょうか。「宇宙が膨張していること」自体は遠くの銀河ほど離れるスピードが早いことから既に明らかになっています（参考URLが参考になると思います）。

●まとめ
以上をまとめると
○「熱」とはおおざっぱにいうと「乱雑なエネルギー」
○地球は開放系
○現在、宇宙は膨張している

また、私には分からないため、答えられないことは、
・宇宙が開放系と閉鎖系のどちらであるか？
・地球のエントロピーの変化（増加or減少or一定）

上で「分からない」と書いた点は、それぞれ「天文学」「地学」のカテゴリで聞いたほうが的確な回答が得られると思います。

ちなみに、エントロピー関連の話題はつかみどころのない神秘的なイメージがあるせいか、机上の空論的な安易な新説（いわゆるDQN）が多いようなので注意してください。科学に詳しくない人がうっかりだまされてしまうのは嫌なので・・・。「量子論と複雑系のパラダイム」というHPがよく検索で引っかかるのですが、これなんかむちゃくちゃなので、参考にしないでください。

だらだらと長文失礼しました。

参考URL：

http://skyserver.nao.ac.jp/jp/astro/universe/universe.asp

お礼

大変参考になりました。
とても、整理できました。
他のカテゴリーでも聞いてみようかと思います。

特に、熱エネルギーが乱雑なエネルギーであり、
エントロピーを増大させるという内容は
私にとってとても、有意義でした。

微分・積分を、もう一度、エントロピーの本でも買って、
勉強してみます。

ではでは。　　　　　　　　　　　感謝

回答No.4

vitaminQ

さらに補足です。
エントロピー増大の法則と熱力学第２法則は等価です。
ただ、熱力学第２法則にはクラウジウス、トムソン、ケルビンなどによる異なる表現法がいくつかあります。

「熱は高温部から低温部にしか自発的に流れない」
「熱を低温物体から高温物体へ移し、それ以外に何の変化も残さないようにすることは不可能である」
「仕事が熱に変わる現象は不可逆である」
「一つの熱源から吸収した熱を全部仕事に変えて、それ以外に何の変化も残さずに周期的に動く機関は存在しない」

そのことを、エントロピーという量を導入して「閉鎖系ではエントロピーは増大する」という表現を用いて述べたのが、エントロピー増大の法則です。

補足

詳しいご説明、本当どうも有難うございます。

少し分かってきましたが、微分が出てきた時点で
思考が停止しています・・・（笑）

地球は、開放系であるといいます。
それは、太陽エネルギーが照射されているからだと・・・・

だとすると、地球は、エントロピーは減少している
のでしょうか？？

宇宙全体では、どうですか？？

私は、エントロピー増大の法則とは、
ただ、単純に、外部から、目的・方向性を持った
力が加わらない限り、秩序あるものは、いつかは、
無秩序になる・・・ということだと思っていたのですが、

この現象と、熱の移動が、どう関係してくるんでしょうか？
全然、私の頭の中で、結びつかないんですが・・・？
よろしくお願いします。

回答No.3

vitaminQ

No.2の補足に対してお答えしたいと思います。
エントロピーの増大則は、閉鎖系でのみ成り立つ法則です。

閉鎖系でなければ、エントロピーの減少はあり得ます。
dS = dQ / T
ですから、熱が奪われた場合は dS<0 となります。

閉鎖系で考えると、奪われた分の熱は必ず、より低温な他の系に移動します。エントロピー増加は各系に与えられた熱を各系の温度で割ったもの（熱が奪われた場合は負の値になる）なので、熱が高温系から低温系に移動した場合には「低温の系のエントロピー増加＞高温の系のエントロピー減少」となり、よって合計のエントロピーとしては増加します。

回答No.2

psa29

宇宙に関しては、よくわかりませんが、熱力学第２法則とエントロピー増大の法則は、同じものだと私は思います。
nablaさんがお示しのように、冷水とお湯を混ぜるとぬるま湯になりますが、ぬるま湯を２つに分けても、自発的に冷水とお湯とには分かれません。
でも、冷水に含まれる熱エネルギーとお湯に含めれる熱エネルギーとの総和は、それらを混合したぬるま湯に含まれる熱エネルギーの総和とは等しいですよね。
（エネルギーは保存されているわけですから）
でも片一方の方向にしか進みません。
それはその方向がエントロピーが増大する方向だからです。
冷水とお湯とを接触させると冷水の熱エネルギーが移動し、冷水は温度が高まり、お湯の温度は低くなります。
このとき、お湯のエントロピーは減少し、冷水のエントロピーは増加します。
合計すると、エントロピーの増加の方の数値が大きく、全体としてはエントロピーが増加しているので。
全体を一つの系（孤立系）と考えると、その系の中だけで変化している場合、必ずエントロピーは増加します。
ぬるま湯に外からエネルギーを加えれば、お湯と冷水に分けることは可能です。
まずぬるま湯を２つに分け、一方だけ加熱すれば温度差はできますし、反対を冷却すれば、再びお湯と冷水になります。
でも、余分なエネルギーが必要となり、外から加えたエネルギーも含めて考えると、やはりエントロピーは増大してしまっているのです。
私たちは日常生活で電気を使い、熱や光などの他のエネルギーに変換して、便利な生活を送っていますが、電気エネルギーを変換する前と後では、エネルギー量は同じで、エネルギーは保存されています。（第１法則）
しかし、電気というエントロピーが低く、質の良いエネルギーから、熱というエントロピーの大きな質の悪いエネルギーに変換してしまっているのです。
再び質の良いエネルギーを作りだすためには、さらなるエントロピーの増加が必要なのです。
そのために大量の石油を燃やしています。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E7%AC%AC%E4%BA%8C%E6%B3%95%E5%89%87

補足

どうも有難うございます。
せっかくご丁寧な回答を頂いたのに、
多分、半分も分かっていないと思います。
誠に申し訳ございません。勉強不足です。

私は、開放系でも、閉鎖系でも、
エントロピーは増大するということが本当なのかどうか
知りたいんですね。

そういうふうに質問すれば良かったですね。（笑）

つまり、太陽エネルギーが地球には届いているので、
地球は開放系だというのですが、それでも、
地上の自然界のエントロピーは増大しているのでしょうか？？

つまり、アミノ酸が太古の地上で発生するには、
紫外線もだめだし、酸素もあってはなりません。
分解されてしまうからです。
アンモニアも紫外線で分解されてしまいます。

だから、最近では、海中で、生命は誕生したという
ことになっているみたいですが、
果たして、海中で偶然生じたアミノ酸が、
太陽エネルギーのおかげで、エントロピーが減少して
お互いが、化学的相互作用により、結合して
偶然、タンパク質になることがあり得るのか？

ということを知りたいんですね。

そのためには、開放系では、熱力学の第２法則は、
通用しないのかどうか？
（＝エントロピーは減少する・・・？）

これが知りたいんですね。
よろしくお願いします。

回答No.1

nabla

答えられる範囲で答えます。

>閉鎖系だとすると、いつかは、宇宙は、熱平衡状態に
なってしまうということでしょうか？？

物質も温度も一様になってしまうというのは古い考え方で、最終的には光る星のないブラックホールだらけの宇宙になってしまうというのが定説です。（その後ブラックホールが蒸発したりなんかしたりするそうですが詳しいことは知りません）

>熱力学の第２法則とエントロピーの法則は、
違うものなんでしょうか？
同じように考えてしまうのですが・・・

これは違うものです。
熱力学第２法則は簡単に言うと「冷たい水に熱いお湯を入れてぬるま湯にすることはできてもぬるま湯を２つに分けたところで冷たい水と熱いお湯にはなりません」という主張です。
それに対してエントロピーの法則は「エントロピーというよく分からない量があってそれが減ることはありません」という主張です。
これを熱力学に限れば熱力学第２法則ですが、例えば水の中に食塩が解けていくのもエントロピーの法則のおかげです。
このエントロピーというよく分からない量の正体はその状態をミクロの目で見たときの場合の数の対数です。
詳しいことは下をどうぞ。

参考URL：

http://www.nagaitosiya.com/lecture/0102.htm

お礼

どうも有難うございました。
難しすぎて、私には、よく分かりませんでしたが、
ちがうということだけはよく分かりました。

どうもです。　　　　　　　　　感謝