化学

なぜ-273℃以下の温度はないの?「絶対零度」が存在する理由を理系ライターが解説

よぉ、桜木建二だ。今回のテーマは、刑事ドラマのタイトルにもなっている「絶対零度」。絶対零度=摂氏-273.15℃であり物体の温度がそれ以上下がることはない。気になるのはなぜ-273℃が下限なのか?というところ。

この記事ではまず「温度」の概念からおさらいし、「なぜ温度の下限=絶対零度が存在するか」を明らかにしていくぞ。理系ライターのR175が解説。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

R175

ライター/R175

関西のとある理系国立大出身。エンジニアの経験があり、身近な現象と理科の教科書の内容をむずびつけるのが趣味。教科書の内容をかみ砕いて説明していく。

1.温度の下限

image by iStockphoto

世の中で一番冷たい物は何だろう?アイスクリームは冷凍庫で保管しているが、せいぜい-20℃程度。冬の北海道は場所によれば-30℃程度には到達。さらに、地球上の観測史上最低気温が-90℃程度。皮膚科でイボを焼いたり、理科の実験で瞬間冷却したりする時に使う「液体窒素」が-200℃程度。世の中探し回ればそれなりに低温の物がありますが、実は「それ以上冷やすことが出来ない」温度が存在します(絶対零度)。

「絶対零度」という刑事ドラマがありますが、その由来は「コールドケース」という別の話に似ているから「コールド」をイメージした「絶対零度」にしたor未解決事件を「凍りついた事件」と見立てて「絶対零度」というネーミングにしたという説もあります。

物理で言う「絶対零度」も、「冷たい(=あらゆる物から熱を奪う)」、未解決事件のごとく「凍り付いて何も動きがない」というイメージです。

2.温度の定義

2.温度の定義

image by Study-Z編集部

熱い冷たいといった温度の定義は物体を構成する分子の「運動エネルギー」。要するに動きが激しい物ほど熱い、動いてない物ほど冷たいということ。

物体を拡大してみましょう。全ての物体は何らかの分子の組み合わせで構成されています。温度に関係するのは、物体そのものの動きではなく、この小さな分子の運動エネルギー。たとえ物体そのものは停止していても、それを構成する分子は少なからず動いています。止まっていることはありません。仮に全ての分子が止まっていたら、それこそ「絶対零度」の状態(詳細は後述)。
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物体の温度運動エネルギーが関係している。ここで注意したいのは、物体そのものの運動エネルギーではなく、物体を構成している分子の運動エネルギーという点。静止している物体も拡大して観察すると必ず分子レベルでは動いているぞ!振動しているといったイメージに近い。

3.運動エネルギーと熱

3.運動エネルギーと熱

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動いてる物と止まっている物の違いは?いくつかの分子(という小さな粒)がある空間に集まっているとき、分子が動いている場合と動いていない場合の大きな違いは何でしょうか?

そう、「ぶつかるかぶつからないか」の違い。いくら混んでいようと全ての分子が動いていなければ衝突は起きず。しかし、動き回っていると頻繁に衝突してしまいますね。衝突すると、そこで衝撃(熱やエネルギー)が発生。

仮に、ぶつかった後完全に止まって(運動ゼロになって)しまった場合に発生するエネルギーを運動エネルギーとしています。詳しい導出過程は省きますが、運動エネルギーは質量mに比例、速度vの2乗に比例し、1/2mv^2です。

運動が激しい(速度が速い)ほど、衝撃した時の衝撃(エネルギー)も大きい。つまり発生する熱も多く「熱い」ということが分かりますね。

4.物体内部での衝突

4.物体内部での衝突

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2項では自由な状態の分子、いわば「気体」分子の運動エネルギーを想定していましたが、この考え方は気体だけではなく液体や固体でも適用できます。

液体や固体は分子と分子がつながっている状態。分子1個1個は自由にはなれませんが、限られた範囲で動くことは出来ます。つながった状態で分子が動けば隣の分子に衝突。衝突すればが発生し、それが温度変化をもたらしますね。

巨視的に(大きなスケールで)見ると物体は静止していても、物体を構成する分子は運動(振動)を続けており、熱を発生しているのです。

気体同様、分子の運動が激しいほど隣同士の衝突も激しく熱がたくさん発生し、温度が高い状態に。
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