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最近は暖かいですね。とはいえ温度とは何ですか

この記事の所要時間: 347

2016年5月13日、日本の最北端である稚内で、
サクラの開花宣言がなされました。
春先が暖かかったので、早々にサクラが咲きましたね。
とはいえ暖かい?何を基準にしているのでしょうか。
そもそも温度って、何でしょうかね。

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温度の単位は℃ですか

日本人にとって温度の単位は℃(摂氏)です。
とはいえ世界的に見れば、別の単位もあります。
例えばアメリカは、華氏(カ氏)で現します。
これはドイツの物理学者であるFahrenhait
ファーレンハントさんが考案したので ℉ で表記されます。
当時最も低い室温(-17.8℃)を華氏0度とし、
自分の平熱を華氏100度と決めました。
日本人からみればちょっと不思議な感覚です。
しかし慣れに過ぎません。
ちなみに摂氏と華氏の関係は
F=9×C÷5+32
C=5÷9×(F-32) です。

℃は水を基準にした温度の単位です

℃は非常にぴったりとした単位だと思いませんか。
つまり水が凍る温度が0℃、
そして沸騰する温度が100℃です。
これには意味があります。
すなわちこちらはスウェーデンの天文学者Celsius
セルシウスさんが、水の沸点を0℃、凝固点を100℃?
そしてその間を100等分しよう!
とはいえ今は逆ですね。沸点が100℃です。
ぴったりな単位なのは、当たり前なのです。
なお百等分しているので、
百を意味するCentigradeのCだ!と言われたこともあります。

絶対温度とは何か

高校で化学の勉強をすると、新たな単位が出てきます。
それが絶対温度Kです。
こちらはイギリスの物理学者であるKelvin?
ケルビン卿ウィリアム・トムソンさんが考案しました。
この場合「°」を付けたり度とは言いません。Kだけで現します。
意味はちょっと面倒です。
つまり温度が低くなるほど物の体積は縮みます。
理想気体を考えた場合も、どんどん縮みます。
シャルルの法則に従えば、気体の体積は
気温が1℃下がる毎に1/273小さくなります。
そしてどんどん下げていくと、
理論上体積がゼロになる時が来ます。
その温度が-273.15℃です。
これを0Kにしたのが、絶対温度です。
そのため0℃は、273Kになります。

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温度は熱量の単位です

ここまでは温度の単位について考えてきました。
では本題です。温度とは何でしょうか。
簡単に言うと、温度とは物質が持つエネルギーの量です。
すなわちエネルギーとは熱であり、
熱を生み出すのは分子の振動です。
0Kになると、理論上は気体の体積がゼロになり、
分子の運動もなくなります。そのためエネルギーゼロです。
もちろん体積がゼロになることはありえませんが、
実際に0Kに近づくと、すべての動きが小さくなります。
絶対温度と呼ばれ、不思議な現象が起きることで知られています。
ただし量子力学的には、面倒な解釈が出てきます。
興味のある方は、難しくなりますが専門書を読んでください。

暖かくなるとなぜ膨張するか

ほとんどの物質は、温度が上がると膨張し、
温度が下がると収縮します。なぜでしょうか。
温度が上がるほど、分子の運動が大きくなります。
前後上下左右に震えてくるので、動く範囲が広がります。
隣同士押し合っていれば、だんだん離れていきますね。
そうやって体積が増えます。

温度が下がると逆になり、分子の動きが小さくなります。
だから両隣が近づいてくる、よって体積が縮みます。
水は沸騰して気体、水蒸気になると体積が1700倍になります。

温度を上げるにはエネルギーが必要

温度を上げるには?外部からエネルギーを与える必要があります。
一方で温度が下がるとは、エネルギーが熱として奪われる、
空気中などへ熱が逃げていくことです。
例えば暖かいコーヒーが入ったコップを放置したらどうなるか。
湯の持つエネルギーが空気中に逃げていきます。
相応の時間が経てば、コーヒーの温度は気温と同じになります。
もちろん冷たいアイスコーヒーを放置すれば、
空気中の熱が伝わり、最終的には気温と同じになります。
どちらも早く飲みましょう。

温度とは何か

温度の話を詳しくしていくと、よけいにわからなくなりそうです。
とはいえ暖かさの指標と考えればよいのでしょう。
具体的に理解するために、様々な単位を作りました。
その程度の理解で、日々の生活は問題ないのでしょうね。

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たくと
たくと
著者サイトたくとすく~る
生まれつき無関心な子供はいない! そう信じ、学習塾や講習会などで、 科学を楽しく解説しようと日々奮闘しています。 半世紀生きていますが、 気持ちは、今でも夢見る少年です。

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