熱力学第一法則

今月のお小遣いに5万ウォン(約5,500円)をもらったとします。文房具店で3万ウォン(約3,300円)使うと、財布には2万ウォン(約2,200円)が残ります。使ったお金と残ったお金を足すと、最初にもらった金額にちょうど戻ります。

お金は途中で勝手に増えたり消えたりしないからです。どこかへ場所を移しただけで、合計はずっと同じです。だから帳簿が合わないときは、書き忘れた項目から探しますよね。

エネルギーも、このお小遣い帳と同じ動き方をします。鍋に火で熱を加えると、その熱は水の中にたまったり、ふたを押し上げる仕事に使われたりします。一部は熱として周りの空気に逃げていきます。入ってきたエネルギーは、たまるか、仕事や熱として出ていくかのどちらかで、なくなることはありません。

そこで物理では、調べる対象をひとつの財布のように決めて計算します。その財布に入ってきた熱、財布から出ていった仕事、財布の中に残った分を並べて書くのです。3つの欄を埋めると、帳簿は必ずぴったり合います。

お小遣いを1円ももらわずに、使うだけの財布を想像してみてください。数日はもつかもしれませんが、いつかは底をつきます。入ってくるものがなく、出ていくだけの財布はありえません。

燃料を入れなくても延々と仕事をし続けるという機械を、永久機関と呼びます。これは、お小遣いなしで使い続ける財布と同じ話です。取り出して使うエネルギーをどこかから受け取らなければ、車輪を回して仕事をさせることはできません。

永久機関をうたう装置を分解してみると、たいてい隠れた入金項目が見つかります。あらかじめ巻いておいたゼンマイだったり、内側と外側の温度差だったり、目立たないように入れた電池だったりします。帳簿を最後まで突き合わせると、空いていた欄が埋まります。

だから新しい永久機関の発明品が出てくるたびに、人々はまず入金欄を探します。エネルギーが入ってくる場所が本当になければ、その機械は外に向かって仕事を続けられません。つまり、仕事をし続ける装置があるなら、どこかに入金欄が隠れているのです。

もう少し正確にいうと、帳簿が合うからといって、ばらまいたお金を簡単に集め直せるわけではありません。お小遣いを町のあちこちに1円玉ずつばらまいたら、合計は変わらなくても、取り戻すのはとても大変です。

エネルギーも同じです。自動車が走ると、燃料が持っていたエネルギーは、タイヤや空気、道路へと摩擦熱になって散らばります。総量は変わらないのに、もう一度集めて使うのが難しい形に変わったのです。

そのため、このルールだけでは、変化がどちらの向きに進むのかは決まりません。帳簿が合う道が2つあるとき、実際に起こるのはどちらなのかは、別のルールが教えてくれます。

もうひとつ付け加えておくことがあります。原子核が分裂したり合体したりする変化では、質量もエネルギーの一形態として一緒に書き込む必要があります。この分まで帳簿に入れれば、ルールはそのまま成り立ちます。