Biophysics · 19.07

第二法則―自発過程の方向

Second law — direction of spontaneous processes

🧠 孤立系isolated system孤立系（isolated system）isolated system（孤立系）の全エントロピーtotal entropy全エントロピー（total entropy）total entropy（全エントロピー）は自発過程で増加する。熱が高温側から低温側へ流れる方向性を説明する。

全エントロピーと自発性

自発過程では系と外界を合わせた全エントロピーtotal entropy全エントロピー（total entropy）total entropy（全エントロピー）が増え、可逆極限で変化は0になる。系だけのΔSは負にもなり得るため、孤立系isolated system孤立系（isolated system）isolated system（孤立系）か非孤立系isolated system孤立系（isolated system）isolated system（孤立系）かを必ず区別する。

第二法則―自発過程の方向を表す式

\Delta S_{total}>0

$\Delta S_{total}$ は系と外界を合わせた変化で、自発不可逆過程では正、可逆極限では0である。

不可逆過程の方向

局所的に秩序が増しても周囲を含む全エントロピーtotal entropy全エントロピー（total entropy）total entropy（全エントロピー）が増えればよい。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='total entropy'>全エントロピー</span>と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='spontaneous'>自発性</span>"] --> B
  B["不可逆過程の方向"] --> C
  C["局所的に秩序が増しても周囲を含む<span class='jp-term jp-term-diagram' title='total entropy'>全エントロピー</span>が増えればよい"] --> D
  D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='constraint'>拘束条件</span>に応じた判定量"]

拘束条件に応じた判定量

エントロピーを系だけでなく周囲まで含めて数えると、熱が高温側から低温側へ流れる方向性を説明できる。生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）で局所的な秩序が増しても、周囲を含む全エントロピーtotal entropy全エントロピー（total entropy）total entropy（全エントロピー）が増えれば第二法則second law第二法則（second law）second law（第二法則）に反しない。定温・定圧条件では同じ判定をギブズ自由エネルギーGibbs free energyギブズ自由エネルギー（Gibbs free energy）Gibbs free energy（ギブズ自由エネルギー）で簡潔に表せる。

第二法則second law第二法則（second law）second law（第二法則）はエネルギー保存energy conservationエネルギー保存（energy conservation）energy conservation（エネルギー保存）だけでは決まらない方向を与える。進行方向を判断する条件は拘束条件constraint拘束条件（constraint）constraint（拘束条件）で変わり、定温・定圧では全エントロピーtotal entropy全エントロピー（total entropy）total entropy（全エントロピー）よりギブズ自由エネルギーGibbs free energyギブズ自由エネルギー（Gibbs free energy）Gibbs free energy（ギブズ自由エネルギー）を使うと便利である。

まとめ

孤立系isolated system孤立系（isolated system）isolated system（孤立系）の全エントロピーtotal entropy全エントロピー（total entropy）total entropy（全エントロピー）は自発過程で増加する。熱が高温側から低温側へ流れる方向性を説明する。
局所的に秩序が増しても周囲を含む全エントロピーtotal entropy全エントロピー（total entropy）total entropy（全エントロピー）が増えればよい。
第二法則second law第二法則（second law）second law（第二法則）はエネルギー保存energy conservationエネルギー保存（energy conservation）energy conservation（エネルギー保存）だけでは決まらない方向を与える。