• 白鳥 紀一、中山 正敏、1995: 環境理解のための 熱物理学。朝倉書店, 220 pp. ISBN 4-254-13066-X.

A5判 横書きのペーパーバック。

熱力学第二法則が、環境問題や資源問題を論じるうえで重要なことはまちがいない。その認識には、槌田 敦 さんの貢献がある。槌田さんの著書には 1982年の『資源物理学入門』[読書メモ] があるが、実際に数量を計算してみようとすると、適度に数式をふくむ教科書がほしい。

本書は、大学で熱力学をおしえることのあるふたりの物理学者が、槌田さんが提起した概念をおさえながら (槌田さんの「開放定常系」を「開かれた能動定常系」といいかえているが)、それを理解することを目標として組まれた、熱力学の教科書といえる。

熱力学の初歩の教科書では、熱力学的平衡 (熱平衡) の状態をあつかう。それは変化のない状態である。ふたつの熱平衡状態を比較し、どちらからどちらへの変化が自発的におこりうるかを論じることができる。その際に中間過程を論じなくてよいのは強みでもある。他方、熱平衡にない (非平衡の) 状態をあつかう熱力学は、初級者にはむずかしいし、それでできることには限界がある。それにしても、環境問題や、熱機関などを運転しつづける状況を考えるときは、熱が流れつづけ、エントロピーが発生しつづける状況をあつかう必要がある。

混合と分離の問題を考えるうえでは、物質の移動によって濃度がかわることにともなうエントロピーの変化も考える必要がある。(物質の移動をあつかうのは、物理の初歩の熱力学の本ではめずらしいと思うが、化学のための熱力学ではふつうだ。)

分子運動のゆらぎの問題を、ブラウン運動なども例にだしながらあつかい、エントロピーと関連づけている。そして「マックスウェルの魔」の話もでてくる。そこではミクロにみた熱力学的エントロピーと情報エントロピーを同一視しているようにも思われる。しかしその「情報」はマックスウェルの魔にとっての情報であって、いまどきの情報処理であつかう情報とはオーダーのちがうものだと思う。

くわしく読みとおしていないが、目次を書きぬいた段階で読書メモをだしておく。さらに読んで気づいたことがあったら加筆するかもしれない。

折りかえしのあとに目次をつける。

===== 目次 =====
はじめに
目次
1. 資源物理学と熱物理学
– 1.1 環境、廃棄物、資源
– – a. 人間活動の構造的な問題
– – b. 資源と廃棄物
– 1.2 資源物理学、エントロピー、熱物理学
– – a. 物質、エネルギーの保存則
– – b. エントロピーと変化の向き
– – c. 熱物理学、資源物理学
– – d. 資源物理学の目指すもの
– – e. 本書の目標
– 1.3 「科学」、エコロジー運動、資源物理学
– – a. 個別科学と環境問題
– – b. エントロピー論とエコロジー
– – c. エントロピー論の限界
– – d. 資源物理学、熱物理学の課題
– – e. 新しい哲学へ向けて
2. 不可逆過程とエントロピー
– 2.1 可逆過程と不可逆過程
– – a. 不可逆過程
– 2.2 熱と温度
– – a. 温度
– – b. 熱
– 2.3 仕事と熱、エネルギー保存則
– – a. 仕事と力学的エネルギー
– – b. 熱と仕事とエネルギー
– 2.4 理想気体: 熱運動の原子論モデル
– – a. 理想気体
– – b. 状態方程式の原子論的説明
– – c. 内部エネルギー、熱運動
– – d. 熱的作用
– 2.5 力学的作用と熱的作用の変換
– – a. 理想気体と仕事
– – b. 等温変化による 仕事 → 熱 転換
– 2.6 不可逆性の比較とその指標
– – a. 不可逆性の変換
– – b. 不可逆性の指標
– – c. 熱の移動と不可逆性
– 2.7 エントロピー
– – a. エントロピー
– – b. 理想気体のエントロピー
– 2.8 エントロピーの増大
– – a. エントロピーの増大則
– – b. 可逆過程とエントロピーの転換
– [コラム 1] 「理想気体」
3. 熱機関: 熱と動力の変換装置
– 3.1 エネルギーの変換装置
– – a. 普遍的なエネルギー源、熱
– – b. 定常性の要請: 状態の回帰
– 3.2 カルノー・サイクル: 効率と温度
– – a. 熱だけが移動する可逆機関
– – [コラム 2] ニューコメンからワットへ
– – b. カルノー・サイクル
– – c. 熱機関の効率と絶対温度
– 3.3 もう少し現実的な考察: I. 能率の問題
– – a. 能率と効率
– – b. 熱源の保持
– [コラム 3] エネルギー集中度と定常性
– 3.4 もう少し現実的な考察: II. ストローク当りの仕事、冷却機
– – a. 構造による仕事量の制約
– – b. 冷却能力の限界
– – c. 注釈二つ
– 3.5 さまざまな熱機関
– – a. 熱機関のいろいろ
– – b. スターリング – エリクソン 機関
– – c. オットー・サイクル: 内燃機関
4. 開放系の熱力学
– 4.1 開放系・閉鎖系・孤立系
– 4.2 温度一定の状態とヘルムホルツの自由エネルギー
– – a. 温度一定の系の熱平衡
– – b. ヘルムホルツの自由エネルギー
– – c. 重力による気体の分布
– 4.3 等温等圧の状態、ギブスの自由エネルギー
– – a. ギブスの自由エネルギー
– – b. 化学ポテンシャル
– 4.4 化学反応
– – a. 化学反応の向き
– – b. 化学平衡
– – c. 可逆的な化学エネルギー源、燃料電池
– – d. 生成エンタルピー
– 4.5 物質の出入りがある場合
– – a. 開放系の基本法則
– – b. 変化の向き、有効仕事
– – c. 最大有効仕事、エクセルギー
– 4.6 熱化学機関としての内燃機関
– – a. ガソリン・エンジンの具体例
– – b. 熱化学機関としての分析
– [コラム 4] 負のエントロピー?
5. 混合と分離
– 5.1 混合のエントロピー
– – a. 気体の混合と分離・区別
– – b. 混合のエントロピー
– – c. 浸透圧: 混合による仕事
– 5.2 混合のエントロピーと熱エントロピーの変換
– – a. 重力ポテンシャルによる気体の濃縮
– – b. 濃縮の効率と能率
– – c. 濃縮のカスケード
– 5.3 いくつかの分離過程
– – a. 分離のための準備
– – b. 重力による分離
– – c. 篩 [ふるい]
– – d. 相変化による分離
– – e. 化学エネルギーによる分離
– – f. 拡散速度の違いによる分離
– – g. 洗浄
– 5.4 資源・環境問題と分離・混合
– – a. 物質の利用: コストとしてのエントロピー
– – b. 資源・廃棄物・技術の評価基準: エントロピーコスト
– – [コラム 5] 物の間の遠近関係
– – c. 第三元素の影響
– – d. 廃棄物の問題
– – e. 能率
– – f. 地球の能力
6. エントロピーと原子論
– 6.1 状態の巨視的 (マクロ) な記述と微視的 (ミクロ) な記述
– – a. マクロとミクロ
– – b. マクロな記述
– – c. ミクロな記述
– 6.2 ミクロな視点からのエントロピーの表現
– – a. ミクロな状態の範囲
– – b. エントロピーとミクロな状態の数
– – c. 熱力学の第三法則
– 6.3 エントロピーの増大則
– – a. 断熱自由膨張の不可逆性
– – b. エルゴード性
– – c. 等重律の原理
– – d. エントロピーの増大則
– 6.4 熱平衡とゆらぎ
– – a. 熱平衡状態
– – b. ゆらぎ
– 6.5 温度とエネルギー分布
– – a. 温度に関する平衡
– – b. 気体分子のエネルギー分布
– 6.6 大きな粒子のブラウン運動
– – a. ブラウン運動
– – b. 粒子運動のゆらぎ
– – c. 粒子の位置のゆらぎ
– – d. 統計的運動とエントロピー
– 6.7 粒子の散逸運動
– – a. 抵抗力
– – b. 沈降と拡散
– 6.8 熱物理学から見た運動
– – a. 運動の自由度と力学的、熱力学的記述
– – b. 純力学的運動
– – c. 統計的熱運動
– – d. 流れと波
– – e. 環境の中の大きな物体の運動
– – f. 非弾性衝突
– – g. 外因的な統計的運動
– [コラム 6] ゴム紐はなぜ縮む? (エントロピー弾性)
7. 情報とエントロピー
– 7.1 ゆらぎを使って仕事ができるか
– – a. ゆらぎで仕事?
– – b. すべてのものがゆらぐ
– – c. 魔の登場
– 7.2 情報の内容と量
– – a. 情報とその内容
– – b. 情報の伝達とその量
– – c. 情報量、情報エントロピー
– – d. 情報量とエントロピー
– 7.3 情報の機能と形態
– – a. 情報と制御
– – [コラム 7] 指令情報・認知情報・評価情報
– – b. 制御とエントロピー
– – c. 情報の担い手
– 7.4 情報の伝達・保持・生成・操作のエントロピーコスト
– – a. 伝達のエントロピーコスト
– – b. 測定のエントロピーコスト
– – c. 読み出し・書き込みのエントロピーコスト
– – [コラム 8] 遺伝子の二重螺旋構造
– – d. 情報のエントロピーコスト
8. 開かれた能動定常系と物質循環
– 8.1 開かれた能動定常系
– – a. さまざまな定常系
– – b. 開かれた能動定常系
– 8.2 開かれた能動定常系のいくつかの例
– – a. 熱機関
– – b. 光合成
– – [コラム 9] 光合成生物の発生
– – c. 生物個体
– – d. 生態系
– – e. 地球
– 8.3 開かれた能動定常系の特徴: 物質循環
– – a. 部分的低エントロピー化
– – b. エントロピー廃棄
– – c. 複数の環境
– – d. 非平衡の環境間に置かれたからくり
– – e. 系の時間的・空間的構造、物質循環
– – f. 構造の劣化と更新
– – g. 安定性とフィードバック
– 8.4 熱物理学の限界
9. 終章: 資源環境問題の論理と倫理 — 資源物理学の視点から
– 9.1 資源と環境
– – a. 資源
– – b. 廃棄
– – c. 環境と物質循環
– – d. 系-物質の特殊性
– – e. 生産活動
– 9.2 資源物理学とこれからの世界
– – a. 持続可能な成長?
– – b. 資源環境問題の論理と倫理
索引
===== ここまで =====