プリンキピア

第6章代謝

Section Summary節のまとめ

In studying energy, scientists use the term “system” to refer to the matter and its environment involved in energy transfers. Everything outside of the system is the surroundings. Single cells are biological systems. We can think of systems as having a certain amount of order. It takes energy to make a system more ordered. The more ordered a system, the lower its entropy. Entropy is a measure of a system's disorder. As a system becomes more disordered, the lower its energy and the higher its entropy.
エネルギーの研究で「系」とは、エネルギー移動に関わる物質とその環境を指す。系の外側にあるものはすべて外界である。一つの細胞は生物学的な系である。系にはある程度の秩序があると考えられる。系の秩序を高めるにはエネルギーが必要である。系の秩序が高いほど、エントロピーは低くなる。エントロピーは系の無秩序さの尺度である。系の無秩序さが増すほど、エネルギーは低くなり、エントロピーは高くなる。
The laws of thermodynamics are a series of laws that describe the properties and processes of energy transfer. The first law states that the total amount of energy in the universe is constant. This means that energy cannot be created or destroyed, only transferred or transformed. The second law of thermodynamics states that every energy transfer involves some loss of energy in an unusable form, such as heat energy, resulting in a more disordered system. In other words, no energy transfer is completely efficient, and all transfers trend toward disorder.
熱力学の法則は、エネルギー移動の性質と過程を記述する一連の法則である。第一法則は、宇宙のエネルギー総量が一定であると述べる。つまり、エネルギーは生み出すことも消すこともできず、移動や変換しかできない。第二法則は、エネルギーが移動するたびに、その一部が熱などの利用不能な形で失われ、系がより無秩序になると述べる。言い換えると、完全に効率的なエネルギー移動はなく、すべての移動は無秩序へ向かう傾向がある。

Review Questions確認問題

Exercises 12–13練習問題 12–13
Exercise 12問題 12
Which of the following is not an example of an energy transformation?
次のうち、エネルギー変換の例でないものはどれか。
  1. turning on a light switch
    照明のスイッチを入れること。
  2. solar panels at work
    太陽電池パネルの作動。
  3. formation of static electricity
    静電気の発生。
  4. none of the above
    上記にはない。
Solution解き方
A
A
Exercise 13問題 13
In each of the three systems, determine the state of entropy (low or high) when comparing the first and second: i. the instant that a perfume bottle is sprayed compared with 30 seconds later, ii. an old 1950s car compared with a brand new car, and iii. a living cell compared with a dead cell.
次の三つの比較について、後者と比べた前者のエントロピーが低いか高いかを答えよ。i. 香水を噴霧した直後と30秒後、ii. 1950年代の古い自動車と新品の自動車、iii. 生きた細胞と死んだ細胞。
  1. i. low, ii. high, iii. low
    i. 低い、ii. 高い、iii. 低い
  2. i. low, ii. high, iii. high
    i. 低い、ii. 高い、iii. 高い
  3. i. high, ii. low, iii. high
    i. 高い、ii. 低い、iii. 高い
  4. i. high, ii. low, iii. low
    i. 高い、ii. 低い、iii. 低い
Solution解き方
A
A

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 14–15練習問題 14–15
Exercise 14問題 14
Imagine an elaborate ant farm with tunnels and passageways through the sand where ants live in a large community. Now imagine that an earthquake shook the ground and demolished the ant farm. In which of these two scenarios, before or after the earthquake, was the ant farm system in a state of higher or lower entropy?
砂の中にトンネルや通路が張り巡らされ、多数のアリが暮らす、複雑なアリの巣の飼育容器を想像せよ。そこへ地震が起き、地面が揺れて巣が壊れたとする。地震の前と後では、巣の系のエントロピーはどちらが高く、どちらが低いだろうか。
Solution解き方
The ant farm had lower entropy before the earthquake because it was a highly ordered system. After the earthquake, the system became much more disordered and had higher entropy.
地震前のアリの巣は高度に秩序立った系なので、エントロピーが低い状態であった。地震後は、系の無秩序さが大きく増し、エントロピーが高くなった。
Exercise 15問題 15
Energy transfers take place constantly in everyday activities. Think of two scenarios: cooking on a stove and driving. Explain how the second law of thermodynamics applies to these two scenarios.
日常生活では、エネルギーの移動が絶えず起こっている。コンロでの調理と自動車の運転という二つの場面を考え、熱力学第二法則がそれぞれにどう当てはまるか説明せよ。
Solution解き方
While cooking, food is heating up on the stove, but not all of the heat goes to cooking the food, some of it is lost as heat energy to the surrounding air, increasing entropy. While driving, cars burn gasoline to run the engine and move the car. This reaction is not completely efficient, as some energy during this process is lost as heat energy, which is why the hood and the components underneath it heat up while the engine is turned on. The tires also heat up because of friction with the pavement, which is additional energy loss. This energy transfer, like all others, also increases entropy.
調理中、食物はコンロで加熱されるが、すべての熱が調理に使われるわけではない。一部は周囲の空気へ熱エネルギーとして失われ、エントロピーを増加させる。運転中、自動車はガソリンを燃やしてエンジンを動かし、車を移動させる。この反応も完全に効率的ではなく、過程の途中でエネルギーの一部が熱として失われる。そのため、エンジンが動いているとボンネットやその下の部品が熱くなる。タイヤも路面との摩擦で熱くなり、さらにエネルギーが失われる。このエネルギー移動も、ほかのすべての移動と同様にエントロピーを増加させる。
entropy (S)
エントロピー（S）
measure of randomness or disorder within a system
系の無作為さや無秩序さの尺度。
heat
熱
energy transferred from one system to another that is not work (energy of the molecules' motion or particles)
仕事以外の形で、ある系から別の系へ移動するエネルギー（分子や粒子の運動エネルギー）。
thermodynamics
熱力学
study of energy and energy transfer involving physical matter
物質に関わるエネルギーとエネルギー移動を研究する分野。