完全版「熱力学エントロピーの世界地図」 ひーろまっつん 松尾浩一著

　はじめに

　私が、建物設備管理の仕事を辞めて、本格的に、熱力学エントロピーの研究を志すようになってから、かれこれ１５年以上の歳月が流れたが、私は、熱力学エントロピー研究の第一人者として、熱力学という学問が、様々な分野の学問で応用が効く学問であることを、私自身が、知るに至り、そのことを、皆に知らせるために、私は、これまで、様々な作品を書き記してきた。

　しかし、まだまだ、私の書いた本には、読者が付いておらず、非常に、私自身、もどかしさを感じているのが、現状である。

　今回の作品、「熱力学エントロピーの世界地図」では、熱力学エントロピーが、様々な分野の学問に、応用できる可能性がある学問であることを、様々な例を用いて、皆に知らせる目的で書かれた作品であるが、熱力学エントロピーについての理解を深めることで、自然科学の全貌が見えてくるだけでなく、他の学問についても、更に理解が深まることは間違いがない事実である。そのようなことから、熱力学エントロピーの研究には、まだまだ、たくさんの可能性があることを、私自身も、感じており、今回の作品では、熱力学エントロピーワールドを展開していくに当り、その行いを、「熱力学エントロピーの世界地図」と題して、私、ひーろまっつんこと、松尾浩一が、熱力学エントロピーの世界地図を描くことを、ぜひ、やってみようと、思い立ったことから、作られるに至った作品である。

この「熱力学エントロピーの世界地図」は、私の作品の中でも、特に、重要視される作品になることは、間違いのない事実であるが、私は、これまで、１５年間以上にわたって、熱力学エントロピーを研究して来た、熱力学エントロピー研究の第一人者として、これまでの研究において、得られた知識のすべてを網羅して、この作品を描くことを、皆にお約束し、ひーろまっつんこと、松尾浩一の世界観をも感じられる作品に、ぜひ、この作品を、仕上げたいと、そう思っている。

令和６年４月２６日　ひーろまっつんこと、松尾 浩一

§1.  熱力学エントロピーとは、一言で言うならば、私は、「万物がその影響を受ける、万物に共通する自然界の摂理である」と、そう考えているが、それは、なぜならば、熱力学エントロピーというのは、元来、変化量として表される、物理学的な、状態量であり、エネルギーの物理的な変化の状態を量として表す、状態量であるためである。つまり、熱力学エントロピーは、エネルギーそのものの物理的な変化を量として表す、変化量のことであり、万物が持つ、状態量(温度T、質量m、体積V、圧力p、仕事量W等)が、変化した際には、必ず、熱力学エントロピーというエネルギーが発生することを意味しているのである。

　つまり、そのことが、熱力学エントロピーが、「万物がその影響を受ける、万物に共通する自然界の摂理である」と、私が考えるに至った、もっともな理由であるが、熱力学エントロピーの定義式を、ここで、持ち出すこととし、その事実を、証明することを、ここで、試みたいと思う。

　⊿S[J／K] ＝ ⊿Q [J]／ T[K] (この場合の温度は一定)

 上式で、熱力学エントロピーは定義されている状態量であるが、この熱力学エントロピーの定義式において、変化量として表されているのは、熱力学エントロピーと熱量の双方である。なぜ、この双方が、変化量として表されているかと言えば、この双方は、万物が持つエネルギーであるためであり、万物が持つエネルギーというのは、常に変化しているためである。

　「この万物が持つエネルギーの内、熱力学エントロピーについて言うならば、物質が必ず持つ内部エネルギーを絶対温度で除したもの、つまり、体積変化のエネルギーが、熱力学エントロピーの正体である。」

　ここでは、この作品の読者は、この事実について、認識を持っておくだけで良い。あとで、この事実についての説明をするので、その説明があるまで、ぜひとも、待っておいていただきたい。

　ここで、たとえば、エネルギーに関する法則は、数多く存在するが、そのうちで有名なものとして、エネルギーの保存則という法則がある。

　エネルギーの保存則とは、「エネルギー自体は、常に変化しているが、この世に存在するエネルギー全体としては、一定を保っている」という、法則である。

　このエネルギー保存の法則は、別の言い方に置き換えることもでき、例えば、エネルギー不変の法則というのも、言っていることは、エネルギー保存の法則と何ら変わるものではないことを、きちんと理解しておかなければならない。

　そして、エネルギーとは、「物理的な仕事をしうる力」のことを、エネルギーと呼んでいるのであり、エネルギーは、常に変化しているため、エネルギーが物理的な仕事に置き換わったり、蓄電池に蓄えられたりもするが、この世に存在するエネルギーの総量としては、一定を保っていると言えるのである。

　また、熱力学エントロピーというエネルギーは、一言で表すならば、物質の反応において、放出されるエネルギーと、得られる仕事量の双方を表しているのであるが、物質が、通常の反応を起こす場合には、必ず、エネルギー放出と、その分の仕事量が得られることの双方が、同時に起こるのが、自然界の摂理だからであり、その時に放出されるエネルギーや、得られる仕事のエネルギーそのものが、熱力学エントロピーというエネルギーそのものであるためである。

　つまり、私が、熱力学エントロピーが、「万物がその影響を受ける、万物に共通する自然界の摂理である」と考えるに至った理由は、そのような事実に基づいて、このように、熱力学エントロピーについて説明するのが、最もふさわしいと、考えたためなのである。

　
　ここで、再び、熱力学エントロピーそのものの話に戻るが、ここまでの説明で、熱力学エントロピーは、常に変化しているエネルギーについて、その変化の状態を、物理量として表すのが、熱力学エントロピーという状態量であり、それこそが、状態量という物理量であることも、きちんと、皆にも、理解できたことと思う。

　つまり、過去に於いて、常に変化しているエネルギーを定量化する試みによって、熱力学エントロピーという状態量が、実際に、定義されるに至った、最もな理由である事になるのだ。

　つまり、熱力学エントロピーは、常に変化するエネルギーを定量化する試みから、生まれた状態量であるが、この熱力学エントロピーは、最初は、人間がその頭で考えた、概念であり、実際には存在しない状態量であると言われていた時代が、過去にあった。

　しかし、この熱力学エントロピーが、実在する状態量、つまり、実在量であることを、私は、過去に私が書いた、論文、「熱力学エントロピーとは何か？という問いに関する結論」(超電導へのアプローチからわかったこと)理学士 松尾浩一 作　で、明らかにしている。

※論文URL　https://note.com/hiromattsun/n/n49eace08021c

　私は、この熱力学エントロピーが実在する状態量、つまり、実在量であることを、過去に発見した功績により、後に、必ずや、ノーベル物理学賞を受賞できることを、確信している。その時まで、私が生きているかどうかは、定かではないが、この、論文の存在に、気づいてくれた人が、きっと、私の熱力学エントロピー研究の功績を、認めてくれる日が、必ずやってくると、私は、信じている。

§２. 過去に書いた、私の論文「熱力学的エントロピーとは何か？と言う問に関する結論」(超電導へのアプローチからわかったこと)に於いては、「電流が電線を流れるとき、磁界による磁力(吸引力)と熱が、必ず同時発生する自然現象」は、マイナスで表される熱力学エントロピーの発現であることについても、述べられている。

　この発見についても、私は、ノーベル賞級の発見だと、自負しているが、これまで、私以外には、誰一人として、この自然現象が起こる理由について、説明できた人は、いないことから、確実に、ノーベル賞を受賞できる研究成果を、もたらしたことでも、私は、現在における、熱力学エントロピー研究の第一人者としての自負を持つに至った、理由である。

　この熱力学エントロピーは、過去において、２０世紀最大の謎と言われていた時代があったが、その２０世紀最大の謎に、私は、これまでの約１５年間の歳月を掛けて、果敢に挑戦を挑んだ結果が、この私の過去に書いた論文であり、この論文を、私が仕上げるまでに、約１２年間の歳月が、実際にかかったことになるが、私は、このような研究結果を出せたことを、自分自身で誇りに思うことができるようになるためには、ノーベル物理学賞の受賞が、欠かすことのできない唯一のご褒美となることを、私は、その時が、必ずやってくることを確信することでしか、自分自身を誇りに思うことが、全くできない状況にいる。

　それはなぜならば、私は、実際に、脳の一部に障害を負った人物であり、私が、一体、いつまで、生きていることができるのかが、私自身には、全く、わからないからであり、また、私の書いたこの論文が、世間一般に、未だ、認められた理論とは、なり得ていないためである。

　また、私は、その後の研究によって、この熱力学エントロピーの正体は、体積変化のエネルギーである事実をも、掴むことに成功した。

　熱力学エントロピーのその実の正体は、物質の内部エネルギー変化を、絶対温度、または、圧力で除したもの、つまり、体積変化のエネルギーが、熱力学エントロピーの真の正体であることになるのである。

　ここからは、それについての説明を行うことにする。

　例えば、ここで、皆に、絶対温度について、考えてもらいたい。

　私は、絶対温度の変化を考えた場合、ある物質に熱量を加えた場合には、その物質の温度上昇があることが、きちんと、わかっているため、この地球空間の絶対温度という状態量は、熱量／体積でも、表せると、私は、考えた。

　つまり、J／m3でも、絶対温度が表せることに気づいた私は、直ぐに、K＝J／m3 を、熱力学エントロピーの定義式に代入して単位計算を試みたのである。

　⊿S ＝ ⊿Q ／ T ＝ ⊿Q ／ J ／ m3

                                ＝  J ／ J ／m3

                                ＝ 1 ／ 1 ／ m3

                                ＝ m3

すると、単位計算によって、その結果が、m3 となることがわかった。

　ここで、もともとの、⊿Qで表される熱量は、変化量であるため、つまり、この単位計算結果により、私は、体積変化のエネルギーが、熱力学エントロピーの正体であることを、突き止めたことになる。

　また、絶対温度Kは、圧力pと等価の関係にあることも、私は突き止めるに至ったのだ。

　ここで、圧力pは、Ｎ ／ m2 で表される状態量であるが、絶対温度Kが、 J ／ m3 で表せるとすると、熱量 Qは、Ｎ・m としても表されるため、

                  K ＝ Ｎ・m ／ m3

                      ＝ Ｎ ／ m2

             ∴ K ＝ p ＝ Ｎ ／ m2

　のように、表すことができるため、絶対温度と圧力は、等価であることが、きちんと、理解できるようになる。

　つまり、この結果によって、圧力と絶対温度は、形は違えど、本質的には、同じものであることが、わかったことになるが、この計算結果による事実を、受け入れられない人間が、いかに多いことかを、私は、自分の身を持って、体験することになろうとは、全く、思わなかった。

　私は、かれこれ、４年ほど前に、WEB百科事典として、有名な、ウィキペディアの編集をすることにして、熱力学エントロピーについての私の研究結果を、ウィキペディア上に、掲載することを試みようとしたのだが、その当時の、日本語版ウィキペディアの管理者の、「みそがい」 という人物から、あからさまな、嫌がらせと、個人攻撃を受けるに至った。そして、私は、結局、更に、管理者の「imaru」という人物からも、執拗なまでの嫌がらせの個人攻撃に遭い、結局のところ、日本語版ウィキペディアから、永久追放されるに至ったのであった。

　日本語版ウィキペディアの管理者には、人格者など一人もいないという事実を、私は、知るに至っただけであったが、あからさまな個人攻撃についても、ウィキペディアに於いては、禁止事項であるのに、それを正当化するような、日本語版ウィキペディアには、私は、全く用はないと、その時、思った次第である。

　後に、ウィキペディアは、「過去の遺産」となってしまうことであろうが、私の知ったところではない。私は、少なくとも、ウィキペディアにだけは、決して、私の研究成果を記載することを、断じて、お断りするつもりである。

　
§３.ここで、熱力学エントロピーの定義式に、§２で得られた結果を、代入してみることにしたいと思う。

　⊿S ＝ ⊿Q ／ T ＝ ⊿ Q ／Ｎ ／ m2

　　　　　　　　 ＝⊿( Ｎ・m ／ Ｎ ／  m2)

 　　　　　　　　＝ ⊿(m ／ 1 ／ m2)

                                ＝ ⊿(m3)

となるが、ここで、この熱力学エントロピーの定義式の右辺の表す意味について、考えてみることにしたい。

　この場合の、熱力学エントロピーの定義式の右辺の文字式が表す意味は、熱量変化を、絶対温度Kと等価の圧力pで割った値は、体積変化⊿Vとなることを表しているが、これは、もともとの熱量Qが、圧力pと体積Vの積と同じものであることも、同時に示していることに、まず、気づくことが、大切なことである。

　つまり、これを式で表すと、

　　　熱量Q ＝ 圧力p ・体積V

　　　∴ Q  ＝ p・V

　つまり、熱量Qという物理量も、圧力pという状態量を、体積Vという状態量で、倍した値なのであるから、当然のこと、状態量であることになる。

　また、圧力pと体積Vの積は、仕事量Wを表すが、この場合の仕事量Wについても、同様に、状態量であることになる。　

　これを式で表すと、次のようになる。

　　　　Q[J]＝ p・V [J]＝ W[J]

　つまり、これまで、経路が関係するために、状態量ではないと言われ続けてきた、熱量Qと仕事量Wについても、等価であり、状態量であることが、きちんと、証明されたことになる。　

　また、熱量Q、仕事量W、内部エネルギーUのそれぞれが、同じ単位である、ジュール[J]で表されている理由についても、これら３つの物理量は、全く同じものであり、すべて状態量であるため、同じ単位、J(ジュール)で表すのであるという説明が、可能になったわけである。

　ここで、物質の持つ内部エネルギーUは、物質が持つ、圧力pと体積Vの積で表される状態量であることに他ならない。

　つまり、物質の持つ内部エネルギーUは、物質の持つ圧力pと体積Vの積で表される状態量であり、

　∴ U ＝ p・V ＝( Ｎ ／ m2 )・ m3 ＝ Ｎ・m ＝J

　物質の持つ内部エネルギーUに関しては、上式のような関係式が成り立つことが、きちんと理解できると思うのである。

　つまり、これらの事実から、熱量Q、仕事量W、内部エネルギーUは、全て、等価なエネルギーであるため、同じ単位である、ジュールJ で表されることも、きちんと、皆が、理解できたことと思う。

　そして、これら３つの物理量についても、同じく、状態量であるということも、きちんと、皆が、同様に、理解できたことと思う。

　ここで、この事実について、別の形での、証明を試みることにしたい。

　例えば、ここで、物質の持つ内部エネルギーに、エネルギーの保存則を適用した形の、文字式を、考えてみることにする。

　　　　　⊿U ＝ U − W ＝ 0

　上式は、物質の持つ内部エネルギーの変化量を考えた場合に、物質の持つ内部エネルギーの一部が、仕事をした場合についても、内部エネルギー全体としては、変化しないことを表しているが、上式において、仕事量Wを、最右辺に移項してみていただきたい。

　　　　　∴　⊿U ＝ U ＝ W

となるが、この式の表す意味は、内部エネルギーの変化量は、内部エネルギーと等しく、また、得られた仕事量とも等しいことを表している。

　つまり、この式における、仕事量Wが、熱量Qに置き換わったとしても、同じ結果が得られるのであり、この式が表すものは、エネルギー不変の法則そのものであることに他ならないのである。

　つまり、それを式で表せば、次のようになる。

　　　　∴　⊿U ＝ U ＝ W ＝ Q

　と表すことができるため、つまり、この上式が、エネルギー不変の法則が、きちんと、適用されることの、証明となるのである。

　そして、この式の結果から、内部エネルギー変化⊿U、内部エネルギーU、仕事量W、熱量Qは、すべて等価なエネルギーであることも、きちんと、皆に、理解できるものと、私は、思う。

　　
　§４.ここまでの私の説明によって、あなたの頭の中には、いくつもの新発見が、もたらされたことと思うが、私は、これまでの約１５年間の熱力学エントロピーの、研究において、このような新発見をいくつもしてきたのである。

　私は、このような、熱力学上における、新発見をたくさんしてきたのであるが、私は、トリックを一つも用いてはいないし、すべて、事実に基づく、熱力学上における、様々な新発見をもたらしてきたのである。

　ここで、更に、もう一つ、私が、新発見した、事実について、紹介したいと思う。

　それは、電流が流れる源となる、起電力というのは、熱力学エントロピーそのものが起源となって、もたらされる力であるという事実である。

　前に、熱力学エントロピーというエネルギーを、一言で表すならば、「物質の反応において、放出されるエネルギーと、得られる仕事量の双方を表しているのであるが、物質が、通常の反応を起こす場合には、必ず、エネルギー放出と、その分の仕事量が得られることの双方が、同時に起こるのが、自然界の摂理だからであり、その時に放出されるエネルギーや、得られる仕事のエネルギーそのものが、熱力学エントロピーというエネルギーそのものであるためである。」と、私は、述べたと思うが、この際に、放出されるエネルギーは、熱のエネルギーとして、放出されるのであるが、それと同時に得られる物理的な仕事は、仕事のエネルギーとして得られるのが、自然界の摂理なのである。

　つまり、起電力V(ボルト)という力は、電力W(ワット)という、電気のエネルギーを、単位時間分、流すことで、電力量(W・s)という仕事量になるが、起電力Vは、電流Iを流す力になるエネルギーであり、電力Wとの関係は、次の式で表すことができる。

　電力W＝ 電流I・起電力V　 (DC：直な流電源の場合)

　つまり、ここで、熱力学エントロピーを考えた場合に、熱力学エントロピーは、熱エネルギーの放出と同時に、電力という、仕事量になりうるエネルギーが得られることを表しているのであると、考えることができると思う。

　つまり、この考え方を適用すれば、電力Wを得るための源となるエネルギーである、起電力Vは、熱力学エントロピーそのものであることになるのである。

　実際に、この場合の熱力学エントロピーは、熱力学上に於いては、マイナスで表される、負の熱力学エントロピーの発現であるが、熱力学エントロピーの発現によって、熱量のエネルギーが放出され、それと同時に、物理的な仕事のエネルギーが得られる事象が、熱力学エントロピーの発現である。

　なぜ、熱力学エントロピーの発現形態が、マイナスで表される、負の熱力学エントロピーであるかといえば、熱力学の約束事で、「系の内部から外部へのエネルギー放出、および、系の外部から内部に仕事を加えた場合を、熱力学では、マイナスで表す」と言う、熱力学には、このような約束事が、存在するためである。

　つまり、エネルギーの放出や、仕事量を得る場合の、熱力学エントロピーの符号は、マイナスである。

　しかし、この熱力学エントロピーにつく、マイナスの符号の意味は、エネルギーというものは、物理的な仕事をしうる力のことなので、常に正の値をとるのであるから、この場合のマイナスの符号は、熱力学エントロピーというエネルギーの方向だけを表していることが、きちんと、理解できるのである。　

　実際には、マイナスのエネルギー、つまり、物理的な仕事を減少させるエネルギーというものも、存在するのかもしれないが、エネルギーというものは、物理的な仕事をしうる力であると定義されている以上、それ以上のことを、この場において、考える必要は全くないということになるのである。

　これまで、実際に存在する、熱力学エントロピーに関する、自然界の法則というものが、全く、見えてこなかった背景には、このように、考えなくて良いもの(経路関数等)を、敢えて、考えてしまうことで、実際に存在する、自然界の法則が、見えてこなかったという事例が、たくさんあるということに、私達、自然科学の研究者は、特に、注意を払う必要があるのであり、もう一度、研究対象等に関する定義等を再確認すると共に、それを、きちんと、行ったうえで、さらに、自らの研究に関する理論構築を、ぜひ、行ってみていただきたいと、私は、そのように思う次第である。

　そうすれば、間違った理論を展開するような、自らの間違いは、確実に防ぐことができるからだ。