“熱力学第二法則の例外”発見か 熱が「冷たい→熱い」場所に流れる状況とは？ 米研究者らが発表：Innovative Tech

米カリフォルニア大学サンディエゴ校に所属する研究者らは、「熱は高温から低温へ流れる」という物理学の基本原理が、特殊な条件下では異なる振る舞いを示すことを明らかにした研究報告を発表した。

[山下裕毅，ITmedia]

Innovative Tech：

このコーナーでは、2014年から先端テクノロジーの研究を論文単位で記事にしているWebメディア「Seamless」（シームレス）を主宰する山下裕毅氏が執筆。新規性の高い科学論文を山下氏がピックアップし、解説する。

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　米カリフォルニア大学サンディエゴ校に所属する研究者らが発表した論文「Second law of thermodynamics: Spontaneous cold-to-hot heat transfer in a nonchaotic medium」は、「熱は高温から低温へ流れる」という物理学の基本原理が、特殊な条件下では異なる振る舞いを示すことを明らかにした研究報告である。

熱が「冷たい→熱い」場所に流れる状況とは？

　熱力学第二法則によれば、熱は常に高温の場所から低温の場所へと自然に流れる。長年にわたって物理学の基本法則として確立されてきた熱力学第二法則について、特殊条件下での新たな現象が見つかった。

　研究チームは、コンピュータシミュレーションを使って、重力場の中で特殊な状態のガスが入った箱を調べた。このガスは「クヌーセンガス」と呼ばれ、通常のガスとは異なり、ガスの粒子同士がほとんどぶつからない非カオス的な状態になっている。

　これは、箱の大きさに比べて粒子の数が少なく、粒子が自由に動き回れる空間が十分にある状態。そのため、粒子は主に箱の壁とだけぶつかりながら動き回る。箱の上部と下部は、粒子が接触した際に熱を吸収する設定とした。

箱の中の気体分子の動きを示した図

　通常、このような箱の中のガスは熱力学第二法則に従い、温度差がある場合は熱が高温部から低温部へと流れ、最終的に全体が同じ温度になる平衡状態に達する。この平衡状態はエントロピーが最大、つまり最も無秩序な状態となる。

　しかし、粒子同士の衝突が希薄な非カオス的状況下では、箱の下部が上部より低温であっても、粒子が上方に移動して低温部から高温部へと熱を運ぶ現象を確認できた。これは、温かい粒子は冷たい粒子より速く動くため、重力に逆らって箱の上部まで到達して熱を失う可能性が高くなる一方、既に遅く冷たい粒子は衝突がない状態では下部にとどまり続けるためだという。

　この発見は、熱力学第二法則を否定するものではなく、特定の条件下では熱の移動方向とエントロピーの増加という法則の2つの要素が異なる振る舞いを示す可能性を明らかにした。この現象は、エネルギー保存則（熱力学第一法則）に従いながら、通常とは異なる熱力学的状態を実現できることを示している。

Source and Image Credits: Qiao, Yu, and Zhaoru Shang. “Spontaneous cold-to-hot heat transfer in Knudsen gas.” arXiv preprint arXiv:2312.09161（2023）.