高校物理基礎

熱と温度とは

この記事で学べる内容

熱運動とは

セルシウス温度と絶対温度とは

今回から熱編です。

温度って何?
熱って何?
どれくらい温めたら氷が融けるの?
水とお湯を混ぜたら何℃になるの?
金属って熱くなると膨張するの?
エンジンの効率ってどれくらいなの?

熱編ではこのような内容を勉強します。

今回は,熱編第1回として,「温度ってなに?」ということについて,わかりやすく簡単に解説をしていきます。

温度とは 熱運動とは

温度

熱運動がどれくらい激しいかを数値で表したもの。

熱運動

原子や分子などの粒子の不規則な運動。

温度とは,熱運動がどれくらい激しいかを数値で表したものです。

熱運動とは

水も空気も金属も,原子や分子は不規則で乱雑な運動をしています。
この不規則な運動が激しければ激しいほど熱くなり,このような原子や分子の不規則な運動のことを熱運動と呼びます。

冷たい水は分子の動きがゆっくりであり,温かい水は分子の動きが速くなっているというイメージですね。
熱運動がどれくらい激しいかを,私たちは温度として数字で表しています。

セルシウス温度とは

セルシウス温度t[℃]

セルシウス氏が考案した温度。

1気圧のとき,水が凍る温度を0℃,水が沸騰する温度を100℃と定めた。

セルシウス温度とは,1気圧のときの水が凍る温度を0℃,水が沸騰する温度を100℃と定めた温度のことです。

セルシウス氏の考案した温度なので,セ氏と言われています。中国語でセルシウスを「摂爾修斯」と書くので,摂氏とも書きますね。
私たちが普段使っている温度でもあります。
記号はtemperatureのt,単位は[℃]です。(セルシウスは英語でCelsius)

原子や分子の熱運動が激しくなるほど温度は高くなるので,温度の上限はとてつもなく大きな数になります。
しかし,熱運動が穏やかになるほど温度が低くなるため,温度の下限は,上限と比べるとそこまで大きな数にはなりません。

鉄の溶ける温度が約1500℃,太陽の中心温度が約1600万℃など,高い温度の話は授業やテレビ等でもたまに聞くことがありますが,マイナス1500℃とか,マイナス1600万℃なんてものは聞いたことがありませんよね。

セルシウス温度が-273℃のとき,分子や原子の運動は完全に停止してしまいます。

これ以上熱運動が小さくなることはないため,-273℃より小さな温度は存在しません。
セルシウス温度の下限は-273℃なのです。

補足

セルシウス温度の下限は,より正確にいうと-273.15℃ですが,高校物理では-273℃をセルシウス温度の下限としています。

また,-273.15℃のとき分子や原子の運動は完全に停止すると書きましたが,実際は異なります。
ハイゼンベルクの不確定性原理より,-273.15℃においても分子や原子は振動をします。
しかし,直感的な理解をするため,-273℃だと全ての原子・分子の熱運動が停止すると説明することが多いです。

絶対温度とは

絶対温度T[K]

-273℃を0Kとした温度。

目盛りの幅はセルシウス温度と同じなので,セルシウス温度とちょうど273のズレがある。

$$T=t+273$$

絶対温度とは,-273℃を0Kとした温度のことです。記号はtemperatureのT,単位は[K](ケルビン)です。

目盛りの幅はセルシウス温度と同じなので,セルシウス温度とちょうど273のズレがあり,絶対温度とセルシウス温度を変換するための公式は

$$T=t+273$$

となります。

セルシウス温度と絶対温度とは

先ほど説明したように,-273℃より小さな温度は存在しません。
「-273℃より小さな温度がないのであれば,そこが本当の0なのではないか?」
という考えをしたのが絶対温度です。

物理基礎ではセルシウス温度を使うことも多いですが,物理の方では絶対温度を使う方が圧倒的に多いです。

単純に数字が273ズレているだけなので,パパっと覚えてしまいましょう。273なのでツナミって覚えておくと簡単でいいですよ。

例題

次の各問に答えなさい。
(1)27℃は何Kか。
(2)195Kは何℃か。

解答

セルシウス温度と絶対温度の変換するためには\(T=t+273\)を使います。
Tが絶対温度[K],tがセルシウス温度[℃]です。

(1)

$$T=t+273\\
T=27+273\\
T=300$$
∴300K

(2)

$$T=t+273\\
195=t+273\\
-t=273-195\\
-t=78\\
t=-78$$

∴-78℃

まとめ

熱運動が激しいほど物体の温度が上がります。
セルシウス温度は私たちが普段使っている温度のことであり,t[℃]で表します。
セルシウス温度は-273℃より低くならないので,-273℃を0Kとして考えたのが絶対温度T[K]です。

また,セルシウス温度と絶対温度は

$$T=t+273$$

で変換することができます。ツナミと覚えると楽です。

 

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