大学(理工系ならば初級)向けの熱力学の教科書。 わたしが長い間ほしいと思いながらなかなか見つけられなかった特徴をもった本だ。 (田崎(2000)『熱力学』[読書ノート]のような理屈屋向きの本とは明らかに違う。) 実際の問題に適用できる能力を養うことをねらい、数量概算の事例をたくさんあげている。 (そのためB5判300ページあまりと、 日本語圏の大学教科書としては分量が多いものになっている。) 事例は、工学系とくに蒸気機関を想定したものが比較的多いが、 著者の専門である物性物理とくに超伝導関係の話題もあり、 地球環境関係の話題もある。 また著者なりの、多くの教科書での概念の不正確さに対する批判も含まれている。 わたしの気象学の授業をとる人に向けて、 「気象関係の事例の議論はおおざっぱなので注意」と添えたうえで 勧めることができそうだ。
出版社による紹介ページは http://www.kyoritsu-pub.co.jp/bookdetail/9784320034662 にあり、まえがきと詳細目次のPDFファイルがある。 著者によるページは http://www.cmp.sanken.osaka-u.ac.jp/~koun/therm/therm.html にあり、正誤表と「議論の広場」がある。
目次から章の表題だけ書きぬいておく。
第1章で「熱力学第0法則」つまり温度が定義可能であることを述べたあと、 高校物理のレベルの第1法則の知識を想定しながら、 第2章で、理想気体を例として、比熱などの概念を具体的に論じる。 熱平衡だけで記述できる現象にとどまらず、 粘性、熱伝導、電気伝導などの輸送現象にも及ぶ。 さらに第3章で第1法則をきちんと述べたあと、 熱伝導などが継続する定常状態について、また物質の出入りする開放系について述べる。 不可逆過程の熱力学を正面から扱うことは、 5.2.2節や6.3.1節でPrigogine流の議論を簡単に紹介するだけにとどめているが、 現実の過程と初めと終わりとで一致する可逆過程とを比較することによって 現実の過程の不可逆性の度合いを評価できるという考えを正面にすえている。
統計力学も第8章で初歩的概念を扱うだけだが、 エントロピーと場合の数とを関連づける考えかたは5.4節にも登場する。 また、熱力学の第三法則(Nernstの定理)は、6.4節の表題としているものの、 統計力学から導けるので法則と呼ぶ必要はないという立場をとっている。
工学で使われる「エクセルギー」と化学でいう「自由エネルギー」が 基本的に同じ概念であることを指摘している(7.1節)。 なお、わたしは確認していないが、生物科学でいう「エルゴン」も同じだそうだ。 ただし、化学反応で自由エネルギーの式に含まれる温度は エントロピーの値が決められたところの温度だが、 エクセルギーの場合は環境(熱浴)温度であることに注意が必要だ。
地球上の現象にとって、太陽からくる放射は約6000℃の熱とみなしている (問4.14,(146ページ)ほか)。電磁波放射特有のことは考えていない。 不可逆過程の熱力学の地球環境への応用の論集 KLEIDON & LORENZ (2005) (わたしは読み始めたが読み終えていない)の 序論部分も材料のひとつとしている(例題7.6, 246ページ)。
ここからは、わたしから見て納得がいかないところ。
本書では「比熱」と「熱容量」は同じ意味とされている (1.2.2節11ページ、2.3.4節42ページ)。 「則問3」(43ページ)で「比熱は示量性状態量か示強性状態量か?」とたずねているが 答えは書いてない。 わたしが理解している用語体系では、熱容量は示量性状態量、比熱は示強性状態量だ。 「比熱」は「比熱容量」の略、「比」(specific)は「質量あたりの」だ。 もっとも、わたしも「モルあたりの熱容量」のことを 「モルあたりの比熱」と言ってしまうことはある。 また、授業では注意しているつもりだが、 気候システムの具体的な議論では、 「単位面積あたりの熱容量」のことを単に「熱容量」と言ってしまうことが多い。 (地球物理では面積あたりの量をよく使う。 これは「示量性」「示強性」という量の整理体系にはうまくあてはまらない。)
熱伝導度のところ(2.7.2節55ページ)で、 「熱の移動速度」を「dQ/dt」とし、 「熱は単位面積で計られるので、dQ/dtの単位は J/(m2 s)である」 としている。 エネルギーの流れをある面を通過する単位面積あたり・単位時間あたりのエネルギー量で表わすのはふつうのことだが、 それに「dQ/dt」という記号を使うのはわかりにくい。 続く例題2.7では「熱流J = 0.01 W/cm2」とある。 このほうがわかりやすい。 きびしく言えば「熱流」は「熱のエネルギーフラックス密度」だが... (この場合の「密度」は体積あたりでなく面積あたりであることも説明する必要がある。) 同じページの電気伝導度の話では、「電流J = dq/dt」... 「単位は ... J [A/m2]」とある。 これもわかりにくい。 Jが電流ならば単位はAになるべきで、 単位がA/m2となる量を使いたいのならば電流密度というべきだろう。
2章の演習問題の問2.17 (61ページ)「大気の温度降下」の答のついでに、 「フェーン現象は1kmあたりの温度変化が10 Kとされている。... しかし... 通常の大気の対流による温度減少と同じ大きさであり、 フェーン現象特有の説明にならない。」とあり、 脚注として 「フェーン現象を理解するとき重要になるのは大気中の水蒸気成分である。... この効果はアドラーの教科書に書かれている。 ... 説明されればされるほどわからなくなる例である。」とある。 わたしはまだアドラーの『MITの統計力学と熱力学』の本に どう書いてあったのか確認していないが、 たぶんいけなかったのは、 説明されるべきフェーン現象とは何かが著者やアドラーに明確になっていなかったことだろう。 記載指向の気候学者または予報現業家の書いたことばを物理学者が解釈するのではなく、 理論気象学者が物理のことばで整理しなおして物理学者に提示する必要があったのではないだろうか。
同じく問2.23 (63ページ)「湖の上の温度差」。 「風がない」という条件のもとに、 湖の上の気温と相対湿度で決まる蒸気圧が、 湖の表面の温度での飽和蒸気圧に等しいと想定している。 湖の上の空気は飽和しているとみなすのならもっともだが、 水蒸気量を保ちながら気温だけ高くなっていると想定するのは無理があると思う。 上に高温の空気があって、風がなければ、 鉛直の空気の交換は乏しく、上の気温は湖とは無関係になるだろう。 例題3.4 (82ページ)の風のある場合の議論はよい。 「ダルトンの経験式」が示されているが、 これは今も気象の実務で使われているバルク伝達式の一例と同じとみなせる。
6章のTopics「CO2問題」(235-236ページ)では、 海面でのCO2の海水中の濃度と大気中の分圧の関係を ヘンリーの法則から導いている。 「観測値は、0.6℃の気温上昇に対し、 大気中のCO2濃度は1.2 ppm の増加を示している。」と言い その比 2.0 ppm/Kと、ヘンリーの法則から導かれる「理論値」5.4 ppm/Kとを比べて 「海温の変化が大気中のCO2濃度の変化の原因であることにオーダーとしての矛盾はない」と言っている。 この議論は、 参考文献にあがっている槌田(2007)の議論をもとにしたものらしい。 しかし、槌田(2007)の論説自体にある数値に従っても、 1960年から2005年までの45年間で、 CO2濃度は315 ppmから379 ppmまで64 ppm増加し、 気温は0.5℃上昇しているので、 観測値によるその比は 128 ppm/Kであり、 ヘンリーの法則から導かれる値とは桁が違うというべきではないだろうか?