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 約150年あまり前の1867年に示された、永久機関の可能性を指摘した熱力学のパラドックスが解決したのは実はつい最近。結果的には、当初の熱力学が不十分な理論だったことが原因だった。ただ、今回の熱発電技術をみると、熱力学にはまだ死角が残っているのではないかと感じさせる。なぜ温度差なしの熱で発電できるのか。現時点での推測の詳細と熱力学との関係に迫ってみた。

 マクスウェルの悪魔とは、電磁気学を確立したあのマクスウェルが1867年に提示した熱力学上のパラドックスである(図A-1)。結論からいうと、この“悪魔”が存在すると、エネルギーの高い分子だけを選別することで、外部のエネルギーを使わずに水からお湯が取り出せることになる。つまり、エントロピーが減る第2種の永久機関ができてしまう。

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図A-1 マクスウェルの悪魔は最近撲滅
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図A-1 マクスウェルの悪魔は最近撲滅
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図A-1 マクスウェルの悪魔は最近撲滅
マクスウェルが1867年に発表した、気体粒子をそのエネルギーで選別する悪魔のパラドックス(a)。こうした悪魔がいれば、冷たい水から外部のエネルギーを使わずに熱いお湯を取り出せることになる。これは第2種の永久機関と呼ばれる。約150年の議論を経て、熱力学に情報理論を取り込むことでパラドックスが解消した。当初の、“悪魔”がエネルギーを使わずに粒子を選別するという想定が原理的に実現不可能であることが分かったのである。粒子をより分けること自体は実現可能で、NTTが2017年5月、単電子トランジスタで実証して見せた(b)。電子を観測し、扉を開閉するだけで、電子をより高い電位に引き上げ、電力として取り出せる。ただし、トランジスタの駆動電力などを含めたトータルでは、エネルギーを消費してしまう。(図:(a)はWikipediaの図を基に日経クロステックが作成。(b)と(c)はNTT)

 もちろん、それは不可能だと誰もが思っている。ところが、論理的に厳密にそれを示すのは思いのほか難しく、150年以上もかかった。結局、当初の熱力学は実は厳密には誤りで、「情報熱力学」という情報理論を熱力学に組み込んだ理論によってようやく解決したことになっている。“悪魔”がエネルギーの高い分子を選別する際に、情報処理が必要だが、そのエネルギーやエントロピーを考慮すると、やはり第2種の永久機関は不可能であることが示されたのである。NTTは単電子トランジスタだけで“悪魔”と同じことができることを実証したが、それにエネルギーが必要なことも示した。