系と外界のエントロピー: 大学化学での理解とその意味

大学の化学でよく出てくる「系」と「外界」の概念は、エネルギーやエントロピーの変化を理解するために重要です。これらの概念がどのように関連し、エントロピーがどのように変化するのかを解説します。

系と外界の意味

化学や物理学で「系」とは、物理的または化学的な現象を考えるために定義した特定の範囲内の物質やエネルギーを指します。例えば、気体の膨張や化学反応を扱う場合、その反応を行う物質が「系」となります。

「外界」とは、その系を取り囲む環境や、系と相互作用する外部の部分を指します。系と外界の間にはエネルギーのやり取り（例えば熱や仕事）があります。この二つを分けることで、系内で起こる現象と外界との関係が明確になります。

エントロピーとは、システムの無秩序度を示す物理量で、熱力学において重要な役割を果たします。エントロピーが増加するということは、システムの無秩序が増すことを意味し、逆にエントロピーが減少することは、システムが秩序立っていくことを示します。

熱力学第2法則によれば、エントロピーは孤立系内で常に増大するとされています。しかし、系と外界がエネルギーを交換する場合、外界のエントロピーの増加分が、系内のエントロピー減少を上回ることがあり、全体としてエントロピーは増加することになります。

「系のエントロピー＋外界のエントロピーは常に正」というのは、熱力学第2法則の帰結です。この法則は、孤立系内でのエントロピーの増加を示しますが、系と外界を合わせることで、システム全体のエントロピーの合計は常に増加し、エネルギーが広がる方向に進むことが確認できます。

具体的に言うと、系内でエネルギーが放出されると、外界にエネルギーが移動し、外界のエントロピーが増えます。この増加分は系内のエントロピー減少を補い、全体としてエントロピーは増加します。これが「系のエントロピー＋外界のエントロピーが常に正」という理由です。

「系」と「外界」の概念は熱力学におけるエントロピーの理解に不可欠です。系と外界がエネルギーを交換する過程で、エントロピーがどのように変化するかを把握することで、熱力学の法則をより深く理解できます。エントロピーの増加が自然の流れであることを意識することが、化学や物理学の基本的な理解につながります。