熱の移動・拡散・摩擦による発熱などが不可逆変化であること、熱がひとりでに低温から高温へ移らないこと（熱力学第二法則）を、現象の説明から用語を答えたり文の正誤を判定したりできる
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自然界の変化には、周囲に何の変化も残さずに元へ戻せる「可逆変化」と、一方向にしか進まない「不可逆変化」があります。この技能を身につけると、熱の移動・拡散・摩擦による発熱などがなぜ不可逆変化なのかを説明できるようになります。また、それらをまとめた熱力学第二法則を使って、現象を述べた文の正誤を判定したり、用語を答えたりできるようになります。冷蔵庫や熱機関についての記述の正誤を問う問題でよく使います。
ある変化のあと、周囲に何の変化も残さずに元の状態へ戻せるとき、その変化を可逆変化といいます。戻せないときは不可逆変化です。摩擦や空気抵抗のない振り子の運動は、映像を逆再生しても自然に見えるので、可逆変化とみなせます。一方、熱い湯と冷たい水を混ぜるとぬるま湯になりますが、ぬるま湯がひとりでに熱い部分と冷たい部分に分かれることはありません。水に落としたインクが全体に広がる拡散や、すべる物体が摩擦で止まって物体と床が温まる現象も、逆向き（温まった物体と床がひとりでに冷えて物体が動き出す）は起こりません。また、仕切りで区切った容器の片側に気体を入れ、もう片側を真空にしておいて仕切りを外すと、気体は容器全体に広がります（気体の真空中への膨張）。広がった気体がひとりでに元の片側に集まることはありません。これらはすべて不可逆変化です。
逆向きが起こらない理由は、エネルギー保存（熱力学第一法則）では説明できません。物体と床の熱運動のエネルギーを集めて物体を再び動かしても、エネルギーの合計は変わらないからです。分子の熱運動で考えると見通しがよくなります。多数の分子がばらばらに動いていると、分子のエネルギーや位置が「混ざって均一になった状態」になる場合の数が圧倒的に多くなります。一方、「一部の分子だけが速い」「分子が片側に集まる」「全部の分子が同じ向きにそろって動く」といった状態になる場合の数はきわめて少ないため、実際上起こりません。そのため変化は、そろった状態から混ざった状態へと一方向に進みます。
この一方向性を熱について述べたものが熱力学第二法則で、「熱は高温の物体から低温の物体へ移り、ひとりでに低温の物体から高温の物体へ移ることはない」と表されます。冷蔵庫は低温の内部から高温の外部へ熱を運びますが、これは外部から電気による仕事を加えているからで、「ひとりでに」ではありません。前に学んだ「サイクルをくり返す（周期的に働いて元の状態に戻る）熱機関の熱効率 はつねに 1 より小さい」ことは、この法則から導けます。仮に高温の物体から受け取った熱 をすべて仕事 に変えるサイクルの熱機関があったとします。その仕事 で冷蔵庫を動かし、低温の物体から熱 を奪って高温の物体へ を渡すと、全体では仕事も残らず、ほかに何の変化も残さずに、熱 が低温の物体から高温の物体へ移ったことになります。これは第二法則に反するので、そのような熱機関（）はつくれません。このため は、第二法則の別の表し方としても使われます。なお、理想気体の等温膨張では内部エネルギーが変わらないので、吸収した熱をすべて仕事に変えられます。しかし気体の体積が増えたままで元の状態に戻っていないので、サイクルにはならず、これをくり返し続けることはできません。
現象が「ひとりでに（外から仕事などを加えずに）」起きているか、外部からの仕事や周囲への影響をともなっているかを確認する。
その変化の逆向き（逆再生）が、周囲に変化を残さずにひとりでに起こるかを考える。起こるなら可逆変化、起こらないなら不可逆変化と判定する。
代表例と照らし合わせる。不可逆変化は、熱の移動（高温→低温）、拡散、摩擦や空気抵抗による発熱、気体の真空中への膨張（仕切りを外すと気体が真空部分へ広がり、ひとりでには戻らない）など。摩擦・空気抵抗のない運動は可逆変化とみなせる。
熱の向きについての文は熱力学第二法則で判定する。熱は高温→低温へひとりでに移る。低温→高温へ移すには、冷蔵庫のように外部からの仕事が必要である。
熱機関についての文は、「サイクルをくり返す熱機関では、受け取った熱をすべて仕事に変えることはできず、」で判定する。等温膨張のように 1 回だけ熱をすべて仕事に変える過程はあるが、サイクルにはならない。また、エネルギー保存（第一法則）を満たすだけでは、その変化が起こるとは限らない点に注意する。
可逆変化・不可逆変化と熱力学第二法則に関する記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア 冷蔵庫は内部の低温の空気から熱を奪って高温の外部へ放出するので、熱は低温の物体から高温の物体へひとりでに移ることがある。
イ 静かな水にインクを 1 滴落とすと全体に広がる。この変化は可逆変化である。
ウ あらい水平な床の上をすべる物体が摩擦によって止まり、物体と床の温度が上がる変化は不可逆変化である。
エ 熱力学第一法則を満たしていれば、サイクルをくり返しながら、受け取った熱をすべて仕事に変える熱効率 1 の熱機関をつくることができる。
ア：手順1で確認すると、冷蔵庫は電気による仕事を外部から加えて熱を運んでいるので、「ひとりでに」ではない。手順4より、熱力学第二法則によって熱は低温→高温へひとりでには移らない。よって誤り。
イ：手順2で逆向きを考える。広がったインクがひとりでに 1 滴に集まることはない。手順3より、拡散は不可逆変化である。よって誤り。
ウ：手順2で逆向きを考える。温まった物体と床がひとりでに冷えて、その分だけ物体が動き出すことは起こらない。手順3より、摩擦による発熱は不可逆変化である。よって正しい。
エ：手順5より、熱力学第一法則を満たしていても、サイクルをくり返す熱機関では熱をすべて仕事に変えることはできず、 である。よって誤り。
以上より、正しいものはウ。
答え: ウ
冷蔵庫やエアコンが低温部から高温部へ熱を運ぶことから、「熱は低温から高温へひとりでに移ることがある」としてしまう誤り。正しくは、外部から仕事 を加えているから運べるのであり、ひとりでには移らない（熱力学第二法則）。
エネルギー保存（熱力学第一法則 、 は外部からされた仕事）を満たしていれば、どんな変化も起こりうるとしてしまう誤り。正しくは、摩擦で生じた熱を集めて物体を再び動かす変化はエネルギー保存を満たしているが、起こらない。変化の向きを決めるのは第二法則である。
外から操作すれば元に戻せるので可逆変化だ、としてしまう誤り（例：食塩を水に溶かしたあと、食塩水を加熱して水を蒸発させれば塩と水に分けられるから可逆）。正しくは、加熱のために燃料や電気を使い、蒸発した水を集めるには冷やす必要があるなど、周囲に熱や仕事の出入りの変化が残る。可逆変化とは周囲に何の変化も残さずに元に戻せる変化のことなので、これでは可逆とはいえない。
「理想気体の等温膨張では吸収した熱 がすべて仕事になるので、 の熱機関がつくれる」としてしまう誤り。正しくは、等温膨張だけでは気体が膨張したままで元の状態に戻らず、サイクルにならない。サイクルをくり返す熱機関では必ず低温の物体へ熱を放出し、 となる。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
コップの水に 1 滴のインクを落とすと、インクはしだいに水全体に広がるが、広がったインクがひとりでに 1 か所に集まって元の 1 滴に戻ることはない。また、床の上をすべる物体が摩擦によって止まるとき、物体の運動エネルギーは熱に変わるが、床や物体にたまったその熱がひとりでに物体の運動エネルギーに戻って物体が再び動き出すことはない。
このように、ひとりでには逆向きに進まず、外部に何の変化も残さずに元の状態に戻すことができない変化を何というか。漢字で答えよ。
次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ガソリンエンジンや蒸気機関のような熱機関は、高温の物体から熱を受け取り、その一部を仕事に変え、残りの熱を低温の物体に放出しながら、同じ変化をくり返す。熱機関が受け取った熱のうち仕事に変えられた割合を熱効率といい、どのような熱機関でも、その値は 1 より（ a ）。
また、高温の物体と低温の物体を接触させると、熱は高温の物体から低温の物体へ移るが、外部から何のはたらきかけもなしに、低温の物体から高温の物体へ熱が移ることはない。このように、外部に何の変化も残さずにはもとの状態に戻ることができない変化を（ b ）という。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 大きい | 可逆変化 |
| イ | 大きい | 不可逆変化 |
| ウ | 小さい | 可逆変化 |
| エ | 小さい | 不可逆変化 |
熱機関と熱力学第二法則、および可逆変化・不可逆変化について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
熱機関の熱効率、および可逆変化・不可逆変化と熱力学第二法則について述べた文として正しいものを、次のア〜カのうちからすべて選べ。
熱機関と熱効率、可逆変化・不可逆変化と熱力学第二法則について述べた文として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、ここでいう熱機関は、高温の物体から熱を受け取り、外部に仕事をし、低温の物体に熱を放出して、もとの状態にもどる過程（サイクル）をくり返すものとする。