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こんにちは。秋葉原のコンです。

個人的に物理学にハマっているので、ここでは、日常生活でよく見る冷蔵庫について、熱力学の言語でその原理を簡単に分析してみようと思います。

冷蔵庫の基本的な動作は、蒸発、凝縮という、2つのプロセスからなります。

まずは、エネルギーを扱う上で一番大事だエネルギー保存の法則から見てみましょう。

　

熱力学の第1法則（エネルギー保存の法則）
冷蔵庫の中では、冷媒が蒸発器で蒸発する際に、内部の熱を吸収します。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　このとき、冷媒のエネルギー変化は以下のように表されます：

ここで、

• Q は吸収される熱量
• m は冷媒の質量
• L は蒸発潜熱

この過程で、冷媒は液体から気体に変わり、内部の熱を奪います。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　その後、冷媒は圧縮機で圧縮され、高温高圧のガスとなります。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　そして、このガスは凝縮器で冷却されて再び液体に戻ります。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　この際、周囲に熱を放出するのです。

　　　　　

熱力学の第2法則（エントロピー増大の法則）
このプロセスは、熱が高温の場所（冷媒）から低温の場所（冷蔵庫内部）に移動する自然な傾向に反しているため、圧縮機が電力を消費してエネルギーを供給する必要があります。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　つまり、エントロピー増大則に従うものです。

ここにいう、エントロピーとは、システムの無秩序さやランダムさの度合いを表す物理量です。　　　　　　　　　　　　　　　　　　具体的には、「孤立系のエントロピーは常に増大するか、変化しない。」

冷蔵庫の基本的な役割は、内部の温度を低く保つことです。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　これは、内部の熱エネルギーを外部に移動させることによって達成されます。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　

1. 蒸発プロセス： 冷媒（冷却剤）は蒸発器で液体から気体に変わります。この際、冷媒は周囲の熱を吸収します。この過程で内部のエントロピーは増加します。
2. 凝縮プロセス： 高温高圧の冷媒は凝縮器で冷却され、再び液体に戻ります。この過程で冷媒は外部に熱を放出します。冷媒が外部に熱を放出することで、外部のエントロピーは増加します。

　

冷媒が蒸発するとき、吸収する熱量 Qin とそれに伴うエントロピーの変化 ΔSin​ は次のように表されます：

ここで、

• ΔSinは蒸発過程でのエントロピーの増加
• Qin​ は冷蔵庫内部から吸収する熱量
• Tin​ は冷蔵庫内部の温度

冷媒が凝縮するとき、放出する熱量 Qout​ とそれに伴うエントロピーの変化 ΔSout​ は次のように表されます：

ここで、

• ΔSout は凝縮過程でのエントロピーの減少
• Qout は冷媒が外部に放出する熱量
• Tout は冷媒が外部に放出する際の温度

エネルギー保存則により、吸収した熱量 Qin と放出した熱量 Qout​ は等しいので、

とすると、エントロピーの総変化 ΔS は次のように表されます：

ここで、Tin​は Tout より低い温度であるため、総エントロピー変化は正になります。

このように、身の回りの冷蔵庫にしても、楽しく分析してみることができます。

こうして時間があったりするときに、なんらかの考察をしてみたりしながら頭を回転させてみるのも、　　　　　　　　　　　　　楽しい時間の送り方かもしれませんね。おすすめです。