2004/11/10 8920117.doc 科目名 物質環境科学Ⅱ(03） 1/2
＝物質環境科学Ⅱ（‘０３）＝（TV）
― 環境システムとエントロピー －
〔主任講師：中山 正敏（放送大学教授）〕
全体のねらい
いわゆる環境問題は、人間の生産活動の結果が人間の生活環境を悪化させるところか
ら生じた。この講義ではその自然現
象としての側面を理解するために必要な、物理学的な考え方について説明する。まず
非平衡の場合を含めた熱力学の手法に
ついて述べる。この方法の限界を指摘し、いくつかの手法を紹介する。
回 テーマ 内 容
執筆担当
講師名
(所属・職名)
放送担当
講師名
(所属・職名)
1 環境システム
一般に、生産や生命活動を行う能動系とそれを包む環境に
よって、環境システムが構成される。環境は、能動系に資源、
エネルギーを供給し、廃棄物、廃熱を受け取る。それが大き
くなり過ぎたことが、環境問題である。環境システムの特徴
について概観する。
中山 正敏
（放送大学教
授）
中山 正敏
（放送大学教
授）
2 物質、エネルギーの
保存則
系の変化における基本法則を考える。物質とエネルギーは
保存される。物質変化の階層に応じて、分子、原子、核子の
総数が一定である。系のエネルギーの増分は、系になされた
仕事と加えられた熱の和に等しい。これを熱力学第一法則と
いう。
同 上 同 上
3 エントロピーの増
大則
自然界には、熱伝導、拡散などの不可逆な変化がある。そ
の向きを指定する法則を考える。物質やエネルギーの無秩序
度を表す状態量を導入し、これをエントロピーという。不可
逆変化はエントロピーの増大する向きに起きる。これを熱力
学の第二法則という。
同 上 同 上
4 熱機関
技術者たちが蒸気機関を作った後で科学者たちが、それで
出来る最大の仕事量を考察した。カルノーの熱素説による考
察がエントロピーの発見につながった。それでは、効率でな
く能率を最大にしようとするとどうなるだろうか。
白鳥 紀一
（法政大学客
員教授）
白鳥 紀一
（法政大学客
員教授）
5 開放系の熱力学
エネルギーや物質の出入のある開放系について、熱力学を
考える。その場合には、自由エネルギーを導入すると便利で
あることを示す。また、エクセルギーを導入し、それが系が
環境との平衡から外れている度合を表すことを示す。
同 上 中山 正敏
6 混合と分離
ヒトや生態系に悪い影響を与える物質が環境に散らばると
環境問題になる。散らばっている有用な物質をいかに分離し
て集めるかが資源問題である。散らばるのは物の本性で、エ
ントロピーの増大する過程である。資源環境問題を混合・分
離の過程から考える。
同 上 白鳥 紀一
7 物質と放射
物質中の電子や原子などのミクロな粒子の持つエネルギー
は、いくつかの特定の値に限られる。熱放射は空間の中を熱
を伝える光（電磁波）である。そのエネルギーは、光量子を
単位として物質とやり取りされる。量子性と環境問題の関係
について考える。また物質循環と放射のグローバルな状況に
ついて述べる。
中山 正敏 中山 正敏
2004/11/10 8920117.doc 科目名 物質環境科学Ⅱ(03） 2/2
回 テーマ 内 容
執筆担当
講師名
(所属・職名)
放送担当
講師名
(所属・職名)
8 エントロピーの原
子論
マクロな量であるエントロピーと、系のミクロな状態との
関係を考える。マクロには一つの状態にある系も、ミクロに
見れば原子などの運動によって多数の異なる状態に存在でき
る。エントロピーは、対応するミクロな状態の総個数の対数
に比例する。
白鳥 紀一 中山 正敏
9 熱ゆらぎ
マクロには熱平衡にある系も、ミクロにはその近くでゆら
いでいる。環境の中にある系に対する環境のゆらぎの影響を
調べる。また環境の中を動く系には抵抗力が働き、熱ゆらぎ
を越えた距離を動かすには、ｋＴ程度の仕事が必要なことを
示す。
中山 正敏 同 上
10 情報とエントロピ
ー
情報とエントロピーは相補的である。情報は磁気・電気な
どの物理量によって担われるが、それが意味のあるのは、物
理量の熱ゆらぎが小さく、その値が保持される場合である。
そのような場合には熱力学ではなく、システムダイナミック
スによる研究が必要となる。
同 上 同 上
11 マクロなゆらぎ
環境の中では、風の変化のように、熱ゆらぎよりも大きな
スケールのマクロなゆらぎが起こる。これは、系が熱平衡状
態からずれると、外的な変化に対して大きな応答をするとい
う性質を持つからである。マクロなゆらぎの特徴と、その影
響について考える。
北原 和夫
（国際基督教
大学教授）
北原 和夫
（国際基督教
大学教授）
12 散逸構造
外的条件を変えて、系の中の物質やエネルギーの流れを大
きくして行くと、時間的空間的構造を持った新しい状態に移
る。この構造を散逸構造という。散逸構造の一例は、流体が
上下方向に循環する対流である。環境問題と散逸構造の関連
について考える。
同 上 同 上
13 リサイクルと環境
リサイクルをすれば、資源の消費や廃棄物が減り、環境に
いいはずだ。しかし、場合によっては、リサイクルに手間や
エネルギーがかかったり、リサイクル処理中に毒性物質が放
出されたりする。そこで、意味のあるリサイクルの条件につ
いて考える。
井野 博満
（法政大学教
授）
井野 博満
（法政大学教
授）
14 材料の環境負荷評
価と選択基準
環境にいい材料の使い方は、リサイクルばかりではない。
製品を長持ちさせることや、自然の物質循環に合った材料を
選んで使うことも大事である。環境負荷評価（ライフサイク
ルアセスメント）の方法と、材料選択の基準について考える。
同 上 同 上
15 定常能動系と物質
循環
能動系が定常であるためには、それに接する環境もまた定
常でなければならない。物質に関しては閉じた地球では、物
質が環境を循環することによってこれは果たされる。その際
増大したエントロピーは、宇宙空間に棄てられる。現実の地
球ではどうだろうか。
中山 正敏 中山 正敏------------