系の分類（解放系・閉鎖系・断熱系・孤立系）

外界との間で物質の移動を許す系は開放系（開いた系、open system）、物質の移動を許さない系は閉鎖系（閉じた系、closed system）と呼ばれる。閉鎖系のうち物質の移動に加えて熱によるエネルギーの移動も許さない系は断熱系（adiabatic system）と呼ばれる。さらに断熱系のうち、物質の移動や熱に加えて、仕事によるエネルギーの移動も許さない系、つまり、あらゆるエネルギーの移動を許さない系は孤立系（isolated system）と呼ばれる。 外界とのエネルギーの移動に制限がある系では、その制限に応じた法則が成り立ち、孤立系ではエネルギー保存則、断熱系ではエントロピー増大則、閉鎖系では質量保存則[注 1]が成り立つ。
注 1 相対論的な質量のエネルギーへの転換は考えない場合に限る。

ご提示いただいた文章は、熱力学における「系（システム）」の分類と、それぞれの状態で成り立つ「物理法則」について説明したものです。

少し硬い表現が多いので、情報を整理して直感的に理解できるよう解説します。

1. 系の分類まとめ

「系」とは、私たちが注目している空間や物体のことです。それ以外の外側の世界を「外界」と呼びます。系と外界の間で「物質」と「エネルギー（熱・仕事）」がやり取りできるかによって、4つに分類されます。

系の種類物質の移動熱の移動仕事の移動特徴
開放系〇〇〇何でも出入りできる（例：蓋のない鍋）
閉鎖系×〇〇物質は閉じ込められている（例：蓋をした鍋）
断熱系××〇熱を通さない（例：高性能な魔法瓶）
孤立系×××外界の影響を一切受けない（例：宇宙全体）

2. それぞれの系で成り立つ法則

それぞれの系には、出入りが制限されるからこそ成り立つ強力なルールがあります。

① 閉鎖系：質量保存則

物質が外に出られないため、系の中にある物質の総量（質量）は変化しません。

※注釈にある通り、アインシュタインの相対性理論（$E=mc^2$）で質量がエネルギーに変わるような特殊なケースは除きます。

② 断熱系：エントロピー増大則

熱の出入りがない状態では、系の中の「乱雑さ」を表すエントロピーは、時間が経つにつれて増え続ける（あるいは変化しない）という法則です。これは「熱いものと冷たいものを混ぜると、勝手に均一になるが、逆には戻らない」といった不可逆性を意味します。

③ 孤立系：エネルギー保存則

物質も、熱も、仕事（物理的な押し引き）も一切出入りしないため、系の中にあるエネルギーの合計（全エネルギー）はずっと一定に保たれます。

💡 分かりやすく整理するポイント

この話の核心は、「何を禁止するかによって、守られるものが決まる」という点です。

  • 物質を禁止すれば → 重さが守られる（質量保存）
  • 熱を禁止すれば → 秩序（の崩壊プロセス）が制限される（エントロピー増大則）
  • すべて（物質・熱・仕事）を禁止すれば → エネルギーの総量が守られる（エネルギー保存）

物理学では、このように条件を絞り込むことで、複雑な自然現象をシンプルに捉えようとしているんですね。

4つそれぞれの系に対してこれらの法則が成り立つ（◯）か成り立たない（✕）かを整理して表にして

ご提示いただいた文章に基づき、4つの系とそれぞれの法則が「その系において（系内の総量として）成り立つか」を整理しました。

結論から言うと、制限が厳しくなるにつれて、守られる法則が一つずつ増えていく「階段状」の構造になっています。

系と法則の対応一覧表

系の種類質量保存則エントロピー増大則エネルギー保存則備考
開放系✕✕✕全てが出入りするため、系内の量は変化する
閉鎖系◯✕✕物質が出入りしないので、質量が守られる
断熱系◯◯✕熱が出入りしないので、エントロピーが減らない
孤立系◯◯◯何も出入りしないので、エネルギーも一定

解説：なぜそうなるのか？

表の見方をさらに分かりやすく補足します。

  1. 質量保存則（閉鎖系以上で◯）
    • 物質の出入りを禁止した瞬間から成り立ちます。閉鎖系、断熱系、孤立系はすべて「物質を通さない」ため、これらすべてで◯となります。
  2. エントロピー増大則（断熱系以上で◯）
    • エントロピー（乱雑さ）は、熱の出入りがあると外へ捨てることができますが、「熱の出入り」を禁止（断熱）すると、系内では増える一方になります。そのため、断熱系と孤立系で◯となります。
  3. エネルギー保存則（孤立系のみ◯）
    • エネルギーは「熱」だけでなく「仕事（物体を動かす力など）」としても移動します。熱も仕事も物質もすべて禁止した「孤立系」ではじめて、系内のエネルギー総量が完全に一定に保たれます。

このように、「外との境界線をどれだけ厳重に閉じるか」によって、その中で守られるルールが追加されていくイメージで理解すると分かりやすいです。

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