DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

温度とは? 普段使っているもの以外にも

 今回は温度について書いて行きたいと思う。

目次

1. セルシウス

 セルシウスとは温度の単位のことであり、一般的に最も良く普及している温度のことであり、何度ぐらいかと言うと大体わかるであろう。例えば0℃と聞くと寒い、30℃と聞くと熱いと言うように感覚が分かるがこの温度とはどのように決まっているのだろうか?

 実はセルシウスの定義は1気圧下で水が凝固する点を0℃、沸騰する温度を100℃としているために水が凝固する温度と沸騰する温度を100等分した値こそが1℃に相当する。何故1気圧かと言うと圧力が変化すると凝固点や沸点が変化するためであり、例えば富士山頂では圧力が低いために100℃を待たずして沸騰する。

 しかし、現在のセルシウスの定義はこのこととは若干異なっており、厳密には水の1気圧下での凝固点は0℃、沸点は100℃ではなく、非常に小さい値ではあるがずれている。

 まあ、歴史的には水の融点、沸点を参照しているのでこのように考えてもよろしいと思いますが...

2. 絶対温度

 セルシウスの話が終わったところで今度は絶対温度について書いて行きたいと思う。

 セルシウスは水の凝固点を0と置いた単位であるため、当然これ以上に低い温度は存在する。例えば窒素や二酸化炭素の沸点は当然ではあるが水の融点よりも低く、水が凍りつく温度であっても窒素や二酸化炭素は気体のままである。当然、窒素や二酸化炭素を液体にするためには0℃よりも低い温度にしなければならず、窒素はマイナス196℃に、二酸化炭素はマイナス77℃にすれば液体になる(1気圧下)。

 このようにセルシウスの場合にはマイナスの温度が存在するがその下限は無限ではなくとある値に定まっている。そして、その値こそが温度の最低限であり、ここを0とした温度のことを絶対温度と呼び、単位はケルビン(K)である。

 また、絶対温度の説明をするためにここでいったん温度と言う物について簡潔に説明していきたいと思う。温度とは分子の運動に起因しており、温度が高いという状態は分子が激しく運動をしている状態であり、逆に温度が低いという状態は分子の運動が小さいということである。

 固体の状態は分子同士が強く結合している状態であり、分子が規則正しい並びである結晶の状態を形成しているが分子の運動が激しくなる、つまり温度が高くなると分子同士の結合が切れ、結晶が崩れることとなる。この状態こそが液体であり、液体の状態では分子同士の結合はあるものの流動している状態である。

 そして、更に温度を上げると分子間の力を完全に振り切ることとなり、分子が自由に動き回ることとなり、これこそが気体である。

 つまり、温度を上げると液体、気体の順に変化していくがこれは温度を上昇させると分子の運動が激しくなることに起因しており、運動が激しくなるとエネルギーが大きくなり、結合を振り切るからである。

 ここで話を戻したいと思うが温度が低いということは分子の運動が小さいということであり、この運動がゼロになるとどうなるのだろうか?

 その答えは温度がゼロになる、つまり絶対零度の状態になり、この温度こそが本当の意味での最低温度となる。この温度はセルシウスで表すとマイナス273.15℃に相当し、温度感覚はセルシウスを参照としているのでセルシウスを絶対温度に換算する時はセルシウスに273.15を単純に足せばよいこととなる。

 実はセルシウスは化学や物理の時にはあまり役に立つことは無く、その理由はセルシウスの0に相当する部分は本当の意味での底に定数を足しているからである。実際に温度を法則に当てはめるときはいかなる時でも絶対温度が底になっているために倍数的な計算ともなると結果が滅茶苦茶になることになる。

 そのため、理系の場合はセルシウスを使うことは無く絶対温度を使うこととなる。そして、余談ではあるが気温が10℃と30℃は3倍温度が違うというような表現がたまに使われることがあるがあれは正しい表現ではなく、実際の温度は283.15 Kと303.15 Kであるのでたがたが1.07倍程度しか変わらないことになる。

3. ファーレンハイト

 最後にファーレンハイトについて書いて行きたいと思う。ファーレンハイトは華氏と言う別名を持っており、それに対してセルシウスはセ氏と呼ばれている。

 そして、ファーレンハイトは水の融点を32、沸点を212としており、この間は180等分されているためにセルシウス1℃の違いはファーレンハイト1.8℉の違いに相当する。

 そのため、ファーレンハイトとセルシウスの関係は以下のようになっている。

F = 1.8 C +32 (F: ファーレンハイト, C: セルシウス)

 ファーレンハイトはセルシウスと比較すると非常に使いづらい単位であるが実はある理由のために考案されたものであり、その理由とは生活における温度の範囲を0~100にしたいという理由が有力である。0℉はマイナス17.8℃程度となり、100℉は37.8℃程になるので確かにこの説は有力とも言える(マイナス17.8℃はちょっと低いが...)。

 ちなみにファーレンハイトとセルシウスが釣り合う点はマイナス40であり、これを下回るとセルシウスのほうが大きくなる。更に言うと絶対零度はファーレンハイトで書くとマイナス459.67℉となる。

 以上温度についてでした。