温度の正体と世界の仕組み ~絶対零度の意味とは?~

なぜ絶対零度より冷たい温度はあり得ないのか? どうして低温だと固体になり、高温だと気体になるのか? 温度に関する解説と豆知識!


画像は、ウィキペディアより

というわけで、今回のテーマは「温度」。温かさ冷たさを示す指標のことですね。英語だとtemperature。温度についてのより正しい知識を持っていると、世界の仕組みについても理解が深まります。

温度の正体、それは分子の運動!

温度とは何か? みなさん、考えたことがありますか。温かい・冷たいの違いとは、何がどうなっているのでしょう?

温度の正体、それは「分子の運動エネルギー」! 原子が結びついて分子ができ、分子が結びつくことで私たちのよく知る物質ができている。

この原子・分子の運動エネルギーこそが温度。(まぁ、厳密に考えていくと真空の温度とかが問題になってきますが、この記事ではスルーします)

簡単に言えば、「温かい=分子が激しく運動している」「冷たい=分子の動きが少ない」ということ。温かい空気の方が、冷たい空気よりも分子の動きが激しい。

なんだか「温かさ冷たさの感覚」と「運動の量」って話が直感的には理解できないかもしれませんが、とりあえず温度の正体は分子の運動エネルギーなんですよ!

冷えると氷。温かくなると水蒸気

温度=分子の運動エネルギーだと分かると、身近な世界についても理解が深まっていきます。

例えば、氷・水・水蒸気の関係。水は冷えると氷になり、温かくなると水蒸気になる。当たり前の話ですよね? しかし、なぜなのでしょうか。

どうして逆ではないのか? 冷えると水蒸気になって、温めると氷になってもいいんじゃないの? 考えてみると不思議じゃありませんか。

水に限らず、世の中の物質は「低温だと固体・中間の温度だと液体・高温だと気体」になります。その理由は何か?

ここで「温度=分子の運動エネルギー」を思い出してください。そうすると謎が解ける!

つまり、「低温=分子の運動が少ない=分子が固まりやすい」「高温=分子の運動が激しい=分子がバラバラになっている」

低温になるのは分子の運動が減るってこと。そうなれば固まりやすくなるのも当然ですね! 高温は分子の運動が激しくなってる。だからこそ、物質はバラバラでスカスカの気体になってしまう。

絶対零度の意味

もう1つの例として、温度の正体が分かると「絶対零度」の意味も理解することができます。

絶対零度というのはこの宇宙で最も低い温度のことであり、私たちが良く使う表記では-273.15度。(実は、温度にも色々な表現があります。)これより低い温度というのはあり得ない! -300度とかは不可能!

これも不思議だと思いません? 熱さには1000度とか1億度とかが普通にあるのに、なぜ冷たさは-273.15度で終わりなのか?

ネタばらしをすると、絶対零度というのは「分子の運動が完全に止まっている状態」なんです。温度=分子の運動エネルギーなので、分子が全く動いていない状態が1番温度が低くなる。それこそが絶対零度。

分子が完全に止まっているんだから、それより低い温度はあり得ませんよね。「絶対」零度の理由。逆に、温度が上がっていく場合は分子の運動が激しくなっていきます。運動の激しさに限界は無いので、高温の方には限界が無い。

一般的には、水が氷になる温度を「0度」と言いますよね。温度は↓のような-と+のイメージで考えている人が多いでしょう。

しかし、実際には絶対零度を出発点とした+だけの世界だと考えた方が正確。絶対零度より冷たい状態は存在しません。

正しい科学知識があれば、より世界が面白くなる

このように、「温度=分子の運動エネルギー」ということが分かると「低温だと固体・中間の温度だと液体・高温だと気体」である理由も分かりますし、「絶対零度」の意味も理解できるようになります。

温度の正体を知ることで、それをヒントにより正しい形で世界が見えてくる。科学知識が少ない人と、科学知識が多い人では世界の見え方が違うのです。

科学知識の少ない人の見方が「間違っている」なんて批判するつもりはありませんが、たぶん科学知識の多い人の見方の方が「面白い」だろうと思いますよ。

ルールが分からないゲームより、ルールが分かるゲームの方が面白いですよね? そんな感じでは(笑) 物理学者・天文学者などの見ている世界は、私の見ている世界とは大きく違うんでしょうね~。

豆知識 温度の単位

最後に、豆知識として温度の単位について。

↑にも書きましたが、温度の単位と言うのは複数あります。代表的なのは、熱力学温度(絶対温度、開氏、ケルビン)・セルシウス度(摂氏)・ファーレンハイト度(華氏)の3つ。

一般的に使っているものはセルシウス度。1744年に作られ、標準状態で水が氷になる温度がちょうど0度になるのが特徴。だからこそ、マイナスの温度なんて話が出てくるんですよね。

なんで、水が凍る温度がぴったり0度なのか? それは「標準状態で水が氷になる温度を0度にする!」というルールで作られた単位だから。

そりゃー、そういうルールで作ったんだから、ちょうど0度になるに決まってますよね(笑)当時は絶対零度なんて知られてなかったので身近で使いやすい水の変化を基準にしました。

これに対して、1848年に作られた「ケルビン」という単位では絶対零度こそが0度になります。こちらの方が正確な単位だと言えますね。

この当時、すでに絶対零度というものがありそうだと分かっていたので、それを基準にしたより厳密な単位として作られました。実際、科学の業界ではこちらが基本単位。

↑の3つの他にも、レオミュール度(列氏)・ランキン度(蘭氏)などなど温度には複数の単位があります。色々とあって混乱しますが、それは昔の人が研究を繰り返し、より正確で使いやすい単位を作ろうとしてきた努力の結果なのです。

まとめ

・温度の正体、それは「分子の運動エネルギー」!

・「低温=分子の運動が少ない=分子が固まりやすい」「高温=分子の運動が激しい=分子がバラバラになっている」だから、水は低温になると凍って、高音になると水蒸気になる。

・絶対零度というのは「分子の運動が完全に止まっている状態」のこと

・科学知識が少ない人と、科学知識が多い人では世界の見え方が違う。たぶん科学知識の多い人の見方の方が「面白い」のでは?。

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