物理学

熱力学の基本としての温度と「熱力学第零法則」を理系ライターが丁寧に解説

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よぉ、桜木建二だ。今回は温度と熱力学第零法則について解説していくぞ。

温度というのは日常的に使う概念だが、科学的に厳密に定義しようとすると随分難しいものだ。今回は温度の基本的な取り扱いと熱力学第零法則について紹介しよう。

今回は物理学科出身のライター・トオルさんと解説していくぞ。

この記事の目次

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。

ライター／トオル

物理学科出身のライター。広く科学一般に興味を持つ。初学者でも理解できる記事を目指している。

温度と熱力学第零法則について

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熱力学にとって一番重要な変数は何かと聞かれれば、初学者は大抵温度と答えるのではないでしょうか。しかし、温度言うものは高温、低温などといって日常語になっているにもかかわらず、科学的に厳密に定義しようと考えるとかなり難解な概念なのです。理由の一つは我々の温度に関する感覚が温度という現象の一部しか反映していないことが理由だと思われます。

熱力学は我々の日常スケールのマクロな世界で熱現象を説明していますが、熱現象をより詳細に取り扱うにはもっとミクロな粒子レベルの考え方を取り入れなければいけません。そのために、温度の定義も日常的な感覚から大きく外れてしまうのです。しかし、基本的な熱力学が考える温度というものは、我々の感覚的なイメージとそれほど大きくはズレていません。今回はこの基本的な熱力学にとっての温度というものについて、解説してみましょう。

温度を測定する方法・その1

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温かさや冷たさは皮膚で感じられますが、これには主観的要素が大きいためあまり実用的ではありません。そこで温かい冷たいを客観的に表すには温度計で計った温度が用いられます。液体温度計は、アルコールや水銀をガラス管に封じたもので、温冷によって液体の体積が変わるという性質を利用しているといのは知っている方も多いでしょう。

正確に言うと、ガラス管自体の容積も変わるのですが、液体とガラスでは体積の変化率が違いうので、ガラス管の中で液体が占めている体積の割合が変わります。これを目盛りで読み取っているのです。一般に、物体の巨視的な性質は温冷の違いによって変化します。液体温度計以外の温度計でも、用いられる物質の性質が温冷によって変化することを利用しているのです。

温度を測定する方法・その2

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ある物体の温度を液体温度計で計る時は、物体と温度計を接触させ温度計の目盛りが変化しなくなるのを待ってからその値を読みます。経験的によく知られているように、二つの物体を接触させると温かい物体は冷やされ、冷たい物体は温められるはずです。互いに接触している二つの物体が外から影響を受けないなら、この変化はやがて完全に止まってしまいます。

互いに接触している二つの物体に何の変化も起こらないようになったとき、二つの物体は熱的に釣り合った、あるいは熱平衡になったといい、二つの物体の温度は等しいはずです。もし接触させても何の変化も起こらなかった場合は、もともと二つの物体は熱的に釣り合っており温度が等しかったと考えます。

このように熱的に釣り合っている時に等しい量として温度を決めることは、ごく当たり前のように思われるかもしてませんが、この方法で矛盾がないためには次の熱力学第零とよばれものが必要です。

熱力学第零法則について

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上記が熱力学第零法則と呼ばれるものになります。前に述べた等温の決め方によれば、AとB、AとCとが熱平衡になっているとき、AとBの温度が等しく、AとCの温度が等しいことになり、したがってBとCの温度も等しくなければいけません。熱力学第零法則よれば、このときBとCとは熱平衡にあるから、この等温の決め方には矛盾がないことになります。

以下は論理学の話になりますが、対象とするものを、対象間に成り立つ関係によって分類しようとするとき、その関係が次の条件を満たしていないと矛盾が生じるのです。その条件は、AとBをその対象、~をその関係として、

(1)A~A（同一則）

(2)A~B　ならば　B~A (反射則)

(3)A~B かつ A~C ならば B~C (推移則)

になります。熱平衡にあるという関係によって対象を分類し、対象の違いを温度で表すことができるためには、熱平衡の関係がこれら三つの条件を満たさなければいけません。熱力学第零法則はこの(3)が成り立つことを示しているのです。