Netsu Sokutei, 32 (1), p. 20, (2005)

特集 - 熱力学・熱測定と教育

熱力学の授業:定年後の省察と一つの教卓実験 松尾隆祐

Undergraduate Thermodynamics Courses : A Retired Teacher's Reflection with a Tested Recipe for a Demonstration Experiment in an Introductory Class

熱力学は大学において物理化学や一般化学の一部として教えられ,学生が後の学年で科学や工学の専門分野に進んだとき必要となる基礎教科の一つである。熱力学の講義において,第2法則を導入する方法に,伝統的なカルノー・クラウジウス・ケルビン・プランクの方法,カラテオドリーの公理論的方法,キャレンの形式,ボルツマンの統計的定義とギブズの統計力学がある。著者は初等熱力学において,伝統的なカルノー・クラウジウス・ケルビン・プランクの方法とボルツマンの初等統計力学の組み合わせがもっともわかりよい方法であると考える。エントロピー概念の難しさは,日常体験の中にエントロピーが保存量として振舞う熱現象を見ることがないという事実に由来するとの考えにもとづき,例外的にエントロピーが保存される過程として,ゴムの伸縮にともなう温度の可逆的変化を測定する実験を考案した。この実験によって,状態量としてのエントロピーの存在を推察し,高分子の無秩序構造に由来するボルツマンの統計的エントロピーの意味を理解することができる。
Thermodynamics is taught in universities and colleges as a part of physical chemistry or general chemistry. It is a basic discipline and is required in later studies when the students specialize in various fields of science and engineering. There are different organizations of thermodynamics courses with respect to how the entropy is introduced: the traditional Carnot-Clausius-Kelvin-Planck approach, the axiomatic Caratheodory approach, the formal approach by Callen, and Boltzmann's statistical definition of entropy and Gibb's statistical mechanics. The author finds the combination of the traditional approach and elementary statistical method the most accessible for students in introductory thermodynamics courses. Based on the belief that the lack of thermal events in our daily experience in which the entropy is conserved lies at the core of the difficulty we have when we try to understand the entropy concept, the author has contrived an experiment for demonstration in thermodynamics courses in which the temperature of an elastic rubber band is measured as it heats and cools in response to elongation and contraction. Reversibility of the temperature change demonstrates the existence of a conserved quantity, other than the energy, in this thermal event. Connection of this experiment with the Carnot cycle and the Boltzmann entropy is made complete by the knowledge of the random structure of rubber polymers.