第12章熱力学Thermodynamics原書 p.369–404

We learned in the previous chapter that when two objects (or systems) are in contact with one another, heat will transfer thermal energy from the object at higher temperature to the one at lower temperature until they both reach the same temperature. The objects are then in thermal equilibrium, and no further temperature changes will occur if they are isolated from other systems. The systems interact and change because their temperatures are different, and the changes stop once their temperatures are the same. Thermal equilibrium is established when two bodies are in thermal contact with each other—meaning heat transfer (i.e., the transfer of energy by heat) can occur between them. If two systems cannot freely exchange energy, they will not reach thermal equilibrium. (It is fortunate that empty space stands between Earth and the sun, because a state of thermal equilibrium with the sun would be too toasty for life on this planet!)

前の章で学んだように、温度の異なる2つの物体（または系）が熱をやり取りできると、温度の高い側から低い側へエネルギーが移動する。ほかの系とのやり取りがなければ、やがて両者は同じ温度になる。この状態が熱平衡である。2つの系の間で熱によるエネルギーの移動が可能なことを、「熱的に接している」という。これは、物体どうしが直接触れている場合だけを指すのではない。逆に、熱のやり取りができなければ、この過程によって温度が等しくなることもない。

If two systems, A and B, are in thermal equilibrium with each other, and B is in thermal equilibrium with a third system, C, then A is also in thermal equilibrium with C. This statement may seem obvious, because all three have the same temperature, but it is basic to thermodynamics. It is called the zeroth law of thermodynamics.

系Aと系Bが熱平衡にあり、系Bと系Cも熱平衡にあるなら、系Aと系Cも熱平衡にある。これを熱力学第零法則という。3つの系の温度が等しいのだから当然と思えるかもしれないが、これは温度を比較し、測定するための基礎となる法則である。

You may be wondering at this point, why the wacky name? Shouldn’t this be called the first law of thermodynamics rather than the zeroth? The explanation is that this law was discovered after the first and second laws of thermodynamics but is so fundamental that scientists decided it should logically come first.

なぜ「第一」ではなく「第零」なのだろうか。この法則が認識されたときには、すでに熱力学の第一法則と第二法則が知られていた。しかし、論理的にはそれらの前提となるほど基本的な法則だったため、「第零法則」と名付けられた。

As an example of the zeroth law in action, consider newborn babies in neonatal intensive-care units in hospitals. Prematurely born or sick newborns are placed in special incubators. These babies have very little covering while in the incubators, so to an observer, they look as though they may not be warm enough. However, inside the incubator, the temperature of the air, the cot, and the baby are all the same—that is, they are in thermal equilibrium. The ambient temperature is just high enough to keep the baby safe and comfortable.

第零法則が働いている例として、病院の新生児集中治療室にいる新生児を考えよう。早く生まれた新生児や病気の新生児は、特別な保育器に入れられる。保育器の中で赤ん坊はほとんど何もかけていないので、見ている人には十分に暖かくないように見えるかもしれない。しかし保育器の中では、空気と寝床と赤ん坊の温度がすべて同じ——すなわち熱平衡にある。周囲の温度は、赤ん坊が安全で快適でいられるだけの高さにちょうど保たれている。

Thermodynamics Engineer Thermodynamics engineers apply the principles of thermodynamics to mechanical systems so as to create or test products that rely on the interactions between heat, work, pressure, temperature, and volume. This type of work typically takes place in the aerospace industry, chemical manufacturing companies, industrial manufacturing plants, power plants (Figure 12.2), engine manufacturers, or electronics companies.

熱力学の技術者 熱力学の技術者は、熱・仕事・圧力・温度・体積の相互作用にもとづく製品を作ったり試験したりするために、熱力学の原理を機械の系に応用する。この種の仕事はふつう、航空宇宙産業、化学メーカー、工業プラント、発電所(図12.2)、エンジンメーカー、電子機器メーカーで行われる。

The need for energy creates quite a bit of demand for thermodynamics engineers, because both traditional energy companies and alternative (green) energy startups rely on interactions between heat and work and so require the expertise of thermodynamics engineers. Traditional energy companies use mainly nuclear energy and energy from burning fossil fuels, such as coal. Alternative energy is finding new ways to harness renewable and, often, more readily available energy sources, such as solar, water, wind, and bio-energy.

エネルギーの需要は熱力学の技術者への相当な需要を生む。従来型のエネルギー会社も代替(グリーン)エネルギーの新興企業も、熱と仕事の相互作用に頼っており、熱力学の技術者の専門知識を必要とするからである。従来型のエネルギー会社は、おもに原子力と、石炭のような化石燃料を燃やして得るエネルギーを使う。代替エネルギーは、太陽・水・風・バイオエネルギーのような、再生可能で、多くの場合より手に入りやすいエネルギー源を利用する新しい方法を探している。

A thermodynamics engineer in the energy industry can find the most efficient way to turn the burning of a biofuel or fossil fuel into energy, store that energy for times when it’s needed most, or figure out how to best deliver that energy from where it’s produced to where it’s used: in homes, factories, and businesses. Additionally, he or she might also design pollution-control equipment to remove harmful pollutants from the smoke produced as a by-product of burning fuel. For example, a thermodynamics engineer may develop a way to remove mercury from burning coal in a coal-fired power plant.

エネルギー産業の熱力学技術者は、バイオ燃料や化石燃料を燃やしてエネルギーに変える最も効率のよい方法を見つけたり、最も必要なときのためにそのエネルギーを蓄えたり、作られた場所から使われる場所——家庭・工場・事業所——へそのエネルギーを届ける最善の方法を考え出したりできる。さらに、燃料を燃やした副産物である煙から有害な汚染物質を取り除く公害防止装置を設計することもある。たとえば熱力学の技術者は、石炭火力発電所で燃える石炭から水銀を取り除く方法を開発するかもしれない。

Thermodynamics engineering is an expanding field, where employment opportunities are expected to grow by as much as 27 percent between 2012 and 2022, according to the U.S. Bureau of Labor Statistics. To become a thermodynamics engineer, you must have a college degree in chemical engineering, mechanical engineering, environmental engineering, aerospace engineering, civil engineering, or biological engineering (depending on which type of career you wish to pursue), with coursework in physics and physical chemistry that focuses on thermodynamics.

熱力学工学は広がりつつある分野で、アメリカ労働統計局によれば、雇用機会は2012年から2022年の間に27パーセントも伸びると見込まれている。熱力学の技術者になるには、(進みたい道に応じて)化学工学・機械工学・環境工学・航空宇宙工学・土木工学・生物工学のいずれかの大学の学位を、熱力学を中心とした物理学と物理化学の履修とともに得なければならない。