永久機関
第二種永久機関
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/07/14 00:09 UTC 版)
熱力学第一法則（エネルギー保存の法則）を破らずに実現しようとしたのが第二種永久機関（だいにしゅえいきゅうきかん、英: perpetual motion machine of the second kind）である。仕事を外部に取り出すとエネルギーを外部から供給する必要ができてしまう。そこで仕事を行う部分を装置内に組み込んでしまい、ある熱源から熱エネルギーを取り出しこれを仕事に変換し、仕事によって発生した熱を熱源に回収する装置が考えられた。このような装置があればエネルギー保存の法則を破らない永久機関となる。 熱エネルギーの回収を行うので熱源や周囲の温度は維持される。そのため空気や海水塊自体の持っている熱を取り出して仕事をし、他に熱的な影響を与えない機械ともいえる。例えば、外部の温度が20℃として、装置に熱を取り込み仕事をさせる。その時に外部温度は20℃から19℃に下がる。装置に仕事をさせると熱が発生するので、その熱を外部に返すことで、外部温度は19℃から20℃に戻る。 例として、海水の熱により推進する仮想的な船の例で説明する。この船では、エネルギー保存の法則により、取り出した運動エネルギー分温度の下がった海水の排水が出る。これを船の近傍に捨てるとする。一方では、船の推進の摩擦による熱が発生し、船の周りに温水ができる。スクリューで海の水をかき回すと、その冷水と温水が混じり周囲の温度と均一になり、他に（熱という意味での）影響を与えないように見える。ただし、加速時には船の近傍の海水は周りより冷たくなり、減速時には船の近傍の海水は周りより熱くはなる。 仮に第二種永久機関が実現可能だとしても、定義よりエネルギー保存は破らないため、その機械自体の持っているエネルギーを外部に取り出してしまえば、いずれその機械は停止する。本機械は「熱効率100%の熱機関」であって、その機械自体をエネルギー源として使用できるわけではない。 第二種永久機関を肯定する実験結果は得られておらず、実現は否定されている。第二種永久機関の否定により、「熱は温度の高い方から低い方に流れる」という熱力学第二法則（エントロピー増大の原理）が確立した。これによってすべての熱機関において最大熱効率が1.0（100%）以上になることは決してないため、仕事によって発生したすべての熱を熱源に回収する事は不可能であるということになり、第二種永久機関の矛盾までもが確立されるに至った。外部温度を20℃から19℃に下げて外部から熱をもらう場合、その装置の温度は19℃よりも低く、例えば10℃である必要がある。装置に仕事をさせた後、装置の温度が10℃から15℃に上昇したとしても、15℃の装置から19℃の外部に、熱を移動させることは普通はできない。行うとしたら、その熱の移動にエネルギーが必要となる。そして装置が仕事を行うにはエネルギーを使っても温度を19℃以下に保つ必要があり、ゆえに熱効率は100％未満になる。 前述の海水の熱により推進する仮想的な船の例では、「加速時に船の近傍の海水が周りより冷たくなり、減速時に船の近傍の海水が周りより熱くなる」という、熱力学第二法則に反する現象が発生する。無論、これは現実には起こりえない。 第二種永久機関に関する思考実験としては以下のパラドックスが提案された。これらの思考実験について検討することは、熱力学の法則をよりよく理解するものとなる。 マクスウェルの悪魔 ある2つの小さな部屋があり、その間は小さな窓で仕切られている。片方の部屋には分子レベルの小さな悪魔がおり、その悪魔はその窓を開閉できる。その悪魔は、自分の部屋に速度の速い分子が飛び込んで来たときと速度の遅い分子が出るときに窓を開け、それ以外の場合には窓を閉める。その結果、片方の部屋では速度の遅い分子のみ、もう片方の部屋は速度の速い分子のみに分けられ、自動的に2つの温度に差が生じる。悪魔自体は情報処理（速度観測データに関するメモリの利用と更新）を行っており、その処理（メモリの更新の際のデータ削除）にエントロピーの増大が必要であるとされ、このパラドックスは否定されている。 ファインマンの「ブラウン・ラチェット」 この装置は、周囲の個々の分子のランダムな運動より、選択的にある方向の分子の運動量のみの流れを取り出し推進する。実はこの装置は、周囲の温度より低い場合にのみブラウン運動からエネルギーを引き出すことができる。生物の分子モーターの原理でもある。
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