やさしい物理講座ｖ28「『温度』と『熱』は何か」
やさしいようで難しい命題はこの「温度」である。簡単に言えば、「物のあたたかさ、冷たさの度合い」を温度という。しかしながら、日常生活では、温度と熱とはしばしば混用される。たとえば、「風を引いたので熱が高い」よ言うがこれは「平常より体温が高い」という意味であり、熱には高い低いはない。
今回は、何気ない日常生活の中で不可解な「温度」の正体と「熱」の正体を取り上げる。
2021.12.09
さいたま市桜区
理論物理研究者 田村 司
はじめに
吾輩の家内が陶芸を始めた。どのくらいの温度で陶磁器を焼き上げるのかと好奇心でちょっと、調べた。
伊万里磁器を窯で焼くときの温度は、伊万里磁器の原料であるカオリンが溶けるのが1,300度以上とされている。
薪や炭でどのくらいの温度になるかも好奇心で調べた。
薪の場合は水分も含まれているので次の段階の燃焼過程を経る。
薪の燃焼の時は100度ぐらいで水分の気化が始まる。
250度ぐらいで木炭ガスが放出される。
270度ぐらいで木炭ガスに引火が始まる。
500度ぐらいで赤熱して、炎を出さずに燃える。
炭を使った場合は次の通り。
但し、炭の種類や空気の流入量と放熱状態によって燃焼温度は異なるが
練炭： 初期燃焼時 300〜400度、 安定燃焼時 200度〜300度
黒炭（ナラ等）： 初期燃焼時 900〜1200度、 安定燃焼時 700〜900度
白炭（備長炭等： 初期燃焼時 700〜900度、 安定燃焼時 600〜800度
木炭自動車の存在
昔、木炭自動車があった。木炭自動車は、木炭ガスをエネルギー源とし、車載した木炭ガス発生装置で不完全燃焼により発生するCOガスと同時にわずかに発生するＨ₂で混合ガスとを回収、これを内燃機関の燃料として走る自動車である。木炭以外にも同様な固形燃料（薪、石炭、コークスなど）を使った事例があった。湿式法で木炭や薪は水蒸気によってガス化される。この反応は吸熱反応部分を高温で進行させるために、最低でも900℃が必要とされる。
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』
ガスの主成分は一酸化炭素、水素、二酸化炭素、窒素、その他で燃料として燃焼するのは一酸化炭素と水素だけで他の成分は燃料としては不純物である。
コークスを使った場合の温度
コークスは石炭を原料に炭素を主成分とした多孔質の固体である。
性質によって製鉄用、鋳物用などに分けられます。外見は石炭に似るが、多孔質であるため金属光沢は石炭に比して弱い。多孔質は、乾留（1,300℃以上）の際に石炭中の揮発分が抜けてできるものであり、結果的に炭素の純度が高まり高温度の燃焼を可能とする。
出典関西熱化学（㈱）
製鉄用コークスは１kgあたり25,000～31,000kJもの発熱量がある。
この高い発熱量を活かして高炉の中の温度を約2,200℃まで高める。
コークスで高炉の中の温度が高められることで、鉄鉱石は溶かされ真っ赤な溶銑となり、高炉の出銑口から取り出される。
製鉄用コークスの役割は高炉の中を高温にするのと、もう一つ、鉄鉱石に含まれる不純物を取り除く役割がある。
高炉の中でコークスは熱を発散しながら燃焼するが、同時にカーボンを発生しながら燃焼する。
発生したカーボンは、酸化した鉄鉱石の酸素を吸着する還元材として作用し、鉄の酸化を防ぎ強い鉄を作るのに欠かせない存在となっている。
・温度の定義
歴史上様々な温度の定義があったが、現在の国際量体系における基本量に位置付けられる熱力学温度の定義は、温度(熱）平衡状態における系の内部エネルギーUを、体積を一定に保ってエントロピー Sで偏微分したものである。
T=（∂ U/∂ S）×v。
現時点で、非平衡状態での温度やエントロピーの定義は、本来の意味で定義できないこともあり、途上段階である。
温度は非常に計りにくい物理量の一つである。温度は統計値であるから、低密度な物体や非常に狭い範囲を対象に計測するなど、分子数が少ない場合には統計的に値が安定せず意味が無くなること、非常に大量の分子の運動状態を一個一個観測することは現在の技術では不可能であり代わりに間接計測を行っていることに起因している。
温度を計測する方法としては、計測対象となる物体から放射される電磁波を計測する方法や、長い時間をかけて計測プローブを計測対象となる物体に接触させ温度(熱)平衡状態にさせてから計る方法がある。どちらの方法も、何らかの計測上の問題を抱えている。しかし、近年の高速温度測定装置では､対象物の大きさ数十マイクロメートル、測定時間は数ミリ秒程度で測定可能となっており、物理現象を捕らえる一つの手段としての有効性が向上してきている。
温度の本質はどこにある
温度とは「分子の運動の度合い（エネルギー）」
「温度とは結局何か」ということだが、単刀直入に言えばそれは「物質を構成する分子たちがどのくらい運動しているかの度合い」である。これはすなわち「分子の運動エネルギー」と言い換えることもできる。ご存じのとおりこの世のすべての物質はムチャクチャ小さい粒である「原子」でできており、それが集まって「分子」を構成しているわけだが、この分子は絶えずランダムに運動している。発射された大砲の球が破壊力をもつように、運動する分子もそれ相応のエネルギーをもつ。分子の運動が激しくなればなるほど、それにしたがってエネルギーも大きくなっていく。このエネルギーのことを私たちは「温度」と名前を付けて呼んでいるわけだ。温度の正体は「熱さをつかさどる謎のパワー」ではなく、あくまで物理的な「分子の運動エネルギー」そのものだということである。
エネルギーがようやく温度の定義へ
分子は運動していて、「エネルギー」をもっている。
「エネルギーの大きさ」はすなわち「温度」と同義である。
（絶対零度においては分子の運動は止まり、エネルギーもゼロ）
しかしもはや慣習的には「温度」といえば「摂氏」であり、絶対温度ケルビンにおいても摂氏と同じく「水の融点と沸点との間を100等分したものが”１度”」というモノサシをすっかり使い慣れてしまっている。
そこで、「私たちがよく言う “１度” とはこのくらいのエネルギーのこと！」というのを示すボルツマン係数を登場させたのだった。
【エネルギー】 ＝ 【温度（ケルビン）】 × 【ボルツマン係数】
【温度（ケルビン）】 ＝ 【エネルギー】 ／ 【ボルツマン係数】
こうして「温度とはつまり分子の運動エネルギーである」という本質論を、みごと温度の定義に落とし込むことに成功したわけである。
摂氏温度が提案された当時は、温度の正体が分子の運動だなんて誰にもわかっていなかったのだ。（まだ分子の存在すら発見されていなかった。）
ボルツマン定数の解説
ボルツマン定数（ボルツマンていすう、英: Boltzmann constant）は、統計力学において、状態数とエントロピーを関係付ける物理定数である。統計力学の分野において重要な貢献をしたオーストリアの物理学者ルートヴィッヒ・ボルツマンにちなんで名付けられた。通常は記号 k が用いられる。特にBoltzmannの頭文字を添えて kB で表されることもある。
ボルツマンの原理において、エントロピーは定まったエネルギー（及び物質量や体積などの状態量）の下で取りうる状態の数 W の対数に比例する。これを
と書いたときの比例係数 k がボルツマン定数である。従って、ボルツマン定数はエントロピーの次元を持ち、熱力学温度をエネルギーに関係付ける定数として位置付けられる。ボルツマン定数は2019年5月に定義定数となり、正確に 1.380649×10−23 J K−1 である。
温度（ケルビン）の解説
ケルビンの定義は根本的に変更された。旧定義は、水の状態が変化する温度を用いて温度目盛りを定義するものであるが、新しい定義ではボルツマン定数を用いて温度と等価のエネルギーにより表現される。この変更により、ケルビンの定義は秒、メートル、キログラムの定義に依存することになった。
旧定義[33]
The kelvin, unit of thermodynamic temperature, is the fraction 1/273.16 of the thermodynamic temperature of the triple point of water.
日本語訳: 熱力学温度の単位ケルビンは、水の三重点の熱力学温度の 1/273.16 である。
新定義[34]
The kelvin, symbol K, is the SI unit of thermodynamic temperature. It is defined by taking the fixed numerical value of the Boltzmann constant k to be 1.380649×10−23 when expressed in the unit J K−1, which is equal to kg m2 s−2 K−1, where the kilogram, meter and second are defined in terms of h, c and ΔνCs.
日本語訳: ケルビン (K) は熱力学温度の単位である。その大きさは、単位 J·K−1 (kg·m2·s−2·K−1 に等しい) による表現で、ボルツマン定数 k の数値を 1.380649×10−23 と定めることによって設定される。ここで、キログラムとメートルと秒は h と c と ΔνCs を用いて定義されたものである。
ケルビンの単位としての尺度のポイントは「基準点」と「幅」
温度とはいったいなにかというと、「熱さや冷たさ、暑さや寒さに目盛をつけて、数字で表そう！」と言うことになり、
「基準点」：どの熱さを何度と定めるか（＝どこに基準を置くか）
「幅」：基準点からどのくらいの間隔で１度を刻んでいくかということである。
摂氏（華氏）の場合
摂氏の「基準点」：①水が氷になる温度を「０℃」とする
②水が沸騰する温度を「100℃」とする摂氏の「幅」：① と ② の間を100等分した間隔 を「１度」とするというルールによって成立した指標である。
華氏の「基準点」：①水が氷になる温度を「32℉」とする
②水が沸騰する温度を「212℉」とする華氏の「幅」：① と ② の間を180等分した間隔を「１度」とするというもの。どちらも「水の状態変化」という共通の現象に着目して、基準に用いていることがわかる。
ケルビンの場合
一方で、ケルビンのルールは摂氏や華氏とは一風変わっている。
ケルビンの「基準点」：絶対零度を「０K(ケルビン)」とする
ケルビンの「幅」：摂氏における「１度」を「１K(ケルビン)」とする
ケルビンが特徴的なのは、「水」のような特定の物質には関係なく、「絶対零度」という状態を基準点においていることである。
絶対零度とは
物質を構成する原子・分子の運動がほぼ完全に止まり、「これ以上の低温はない」状態となる温度のこと
絶対零度は摂氏でいうと「－273.15℃」にあたる。
そしてケルビンの幅は摂氏と同じ間隔をとるので、
【ケルビンでの温度（K）】 ＝ 【摂氏での温度（℃）】 ＋ 273.15
という非常にシンプルな関係が成り立つことになる。
このように原子・分子による熱力学法則に基づいて定義された温度を「絶対温度」という。
ケルビンは「絶対温度である」という点において、摂氏や華氏といった日常的な温度の単位とは一線を画す指標なのである。
絶対温度ってどういうことだろう
私たちが普段使っている摂氏というのは、あくまで温度の世界を「水」というひとつの物質を通して見ているだけの、いわば主観的な指標である。
水が凍る温度を勝手に「０℃」と呼んでいるものの、別に「０℃」といっても決して「熱」が存在しないわけではない。
仮に冬の寒い日に「-20℃」を記録したとしても、「０℃」のときより熱の量が減っただけで、このときも「熱」そのものは確かに存在しているのである。
「じゃあ熱が “絶対的に” まったくゼロになることってあるの？」
と言われれば、それがまさしく「絶対零度（＝ －273.15℃ ＝ ０K）」というわけだ。
改定されたケルビンの定義
ケルビンの新定義
上記のような「絶対温度」としての価値により、いまや物理学・化学の世界ですっかりスタンダードとなっているケルビンだが、2019年５月からはその定義が新しく定めなおされている。
「基本的には今までどおりで、『１ケルビンとは何か』の説明をちょっと違うアプローチで決めなおしたもの」
ケルビンの新定義（2019年5月20日～）
ボルツマン定数を1.380649×10−23J/K とすることによって定まる温度
ボルツマン定数とは何か
ケルビンの新定義に突如姿を現した「ボルツマン定数」というのは、「温度」と「エネルギー」との関係をひもづけるような係数と言い換えることができる。具体的には
【エネルギー】 ＝ 【温度（ケルビン）】 × 【ボルツマン係数】
という関係式を表せるのである。
すなわち、ボルツマン係数の値が定まっているとき、「その温度がどのくらいの熱の量（エネルギー）に相当するのか」をズバリ算出できる対応関係があるということになる。
そう考えると、ケルビンの新定義が主張しているのはつまり、
「エネルギーとの対応関係によって温度を定義する」ということなのである。
再掲：ケルビンの新定義（2019年5月20日～）
ボルツマン定数を1.380649×10−23J/K とすることによって定まる温度
定義が変わったきっかけは
今回の定義変更のきっかけは、従来のケルビンの「幅」が水の状態変化に由来していることへの不満にあった。
＜ 科学者たちの意見＞
ケルビンの「基準点」：絶対零度を「０K(ケルビン)」とする
⇒ 妥当だねケルビンの「幅」：摂氏における「１度」を「１K(ケルビン)」とする
⇒ 何故いまだに主観的な摂氏に依存しているんだ！
ケルビンの「基準点」においては「絶対零度」という分子レベルの運動法則に注目している。
気体分子運動論
気体の熱力学温度を T とすると、ボルツマン定数によってエネルギー E = kT に換算される。これは大まかに言うと古典的に振る舞う系のミクロな粒子によって運ばれる熱エネルギーである。たとえば、理想気体中の単原子分子は 3/2kT の平均運動エネルギーを持つ。また、室温 25 °C (298 K) に対応するエネルギーは 4.12×10−21 J である。
ボルツマン定数 k にアボガドロ定数 NA をかけると、モル気体定数 R となる。 モル気体定数は気体の量を構成粒子の数ではなく物質量で量るときにより有用である。
熱の定義とは
熱はエネルギーの移動形態の一つである。
スコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルは1871年、「熱」の現代的定義を初めて発表した。
彼の熱の定義は4つの規定で概説される。
1つ目は熱力学第二法則によるもので、「（熱とは）ある物体から別の物体へ伝達される何か」だという規定である。
2つ目は熱を数学的に扱うための「測定値」の規定である。
3つ目は、熱が力学的仕事のような物質的でない何かに変換されることもあるため、「（熱を）物質として扱うことが出来ない」という規定である。
最後は、「（熱は）エネルギーの1つの形態である」という規定である。
熱とは、物質間のエネルギーの流れのことを意味します。必ず高温の物質から低温の物質に移動するという性質があります。
物体間で仕事を通じて移動する以外のエネルギーの移動形態を熱という（伝導）。
「熱」という形態を通して移動したエネルギーの量を「熱量」という。
人が感じることのできる「熱さ」「冷たさ」といったものは「温度」であり、日常会話の熱と十分区別する必要がある。なお、仕事と熱に関係するエネルギーの出入りを扱う物理学を熱力学といい、種々の基本法則によって支えられている。
熱は必ず高温の物体から低温の物体へと移動する。低温の物体から高温の物体へと自発的に熱が移動することはない（熱力学第二法則と密接な関係がある事項である）。熱が移動した際に外部に熱が流出しなかったならば、高温の物体が放出した熱量と、低温の物体が接触した物体から得た熱量は等しい（このことを「熱量保存則」と呼ぶことがあるが、「熱量保存則」は一般的には成立しないことに注意することが大切である）。また、同じ温度ならばみかけ上熱の移動はなく、この状態を熱平衡状態という。
熱力学第一法則によれば、孤立系のエネルギーは保存される。従って系の持つエネルギーを変化させるにはその系から外界に、あるいは外界からその系にエネルギーを伝達しなければならない。ある系にエネルギーを伝達する方法は、熱と仕事しかない。ある物体に仕事を行うということは定義上、その系にエネルギーを伝達することに他ならず、それによってその物体の外部パラメータ（例えば、体積、磁化、重力場における重心の位置など）が変化する。熱はそれら以外の手段による物体へのエネルギー伝達である。
熱平衡に近い複数の物体の場合、温度という概念が定義できるなら、熱伝達は物体間の温度差に関連する。それは複数の物体が相互に熱平衡状態に近づく不可逆過程である。
熱量とは
物体間でのエネルギーの流れ、すなわち熱の量を数値化したものである。記号はQQ（heat QuantityのQ）、単位はJ（ジュール）を用いる。
ジュールとは
ここで熱量に使われているJ（ジュール）という単位の定義
J（ジュール）とは、物体に力を加え移動させる仕事に必要なエネルギーの量を表す単位である。1Jは、物体を1Nの力で1m移動させる仕事に必要なエネルギーの量と定義される。1J = 1N·m（ニュートンメートル）となる。
カロリーとは
水1gを1℃上昇させるのに必要な熱量として1cal（カロリー）が使用されていた。1calは、4.186Jです。4.186という数値は、後述する水の比熱と同じ数値になる。
比熱とは
比熱とは、物質1g の温度を1℃（K）上昇させるのに必要な熱量のことである。比熱容量ともいう。
記号はcc（小文字のc）、単位はJ/(g·℃)またはJ/(g·K)（ジュール毎グラム毎ケルビン）を用いる。
比熱cc[J/g·K]は、質量mm[g]の物体に熱量QQ[J]を与えた時に生じる温度差ΔTΔT[K]を使って式で表すと、次のようになる。
c=Q/m×ΔT
この式を変形させることで、質量mm[g]、比熱cc[J/(g·K)]の物質をΔTΔT[K]上昇させるのに必要な熱量QQ[J]がわかる。
Q=m×c×ΔT
比熱の大小でわかること
比熱は、物質1gの温度変化のしにくさ（温まりにくさ冷めにくさ）を表しているともいえる。
比熱の大きな物質ほど温度差を生じさせるのに大きな熱量が必要になるため、温まりにくく冷めにくいです。逆に、比熱の小さな物質は小さな熱量で温度差を生じることができるため、温まりやすく冷めやすいのである。
水の比熱
水は、液体の中で最も比熱が大きいことが知られており、その値は4.186 J/(g·℃)（またはJ/(g·K)）となる。つまり、水1gを1℃上昇させるのに4.186J必要ということである。昔は、これを1calと言っていた。
熱容量
熱容量とは、任意の量の物質の温度を1℃上昇させるのに必要な熱量のことです。記号はCC（heat CapacityのC、大文字）、単位はJ/℃またはJ/K（ジュール毎ケルビン）を用いる。
熱容量CC[J/K]は、物質の質量mm[g]と比熱cc[J/g·K]を用いて次のように表すことができる。
C＝㎡×ⅽ
比熱と熱容量の違いは、対象としている物質の量の違いになります。比熱が物質1gを対象としているのに対して、熱容量では任意の量（ある量）を対象としている。記号はまぎらわしいですが、比熱はcc（スモールシー）、熱容量はCC（ラージシー）で表される。
以前掲載した温度にかかわる記事
やさしい物理講座ｖ18「『オームの法則』には温度の条件も考慮が必要」｜tsukasa_tamura｜note
2019年5月20日以降に改定された定義の変更の記事
時間とキログラムの定義の解説｜tsukasa_tamura｜note
To be continued . See you later ！
参考文献・参考資料
熱と温度の違いとは？ (zatugaku-gimonn.com)
熱とは何か - 熱量、比熱、熱容量 3つの概念 | 図解でわかる危険物取扱者講座 (zukai-kikenbutu.com)
池上雄作著『化学熱力学』放送大学 1955.3.20 第1刷
阿部龍蔵著 『統計熱力学』放送大学 195.3.20 第2刷
『量子コンピューター』 ニュートンプレス2018.5.7発行
p30～31引用「 量子ビットの例
１、光子の偏光、２、超電導回路、3、イオンのエネルギー状態（準位）、４、電子のスピン（量子ドット） ５、原子核のスピン、６物質の「トポロジー」の性質利用」
・宮崎 誠一著 『電子回路が良くわかる本』秀和システム 2011.1.1 第１版第１刷
p32文章引用「 電波も光と同じ電磁波ですから速度も同じです。しかしこれは波（波動）として伝わるのであって、電子自体が移動する速さではありません。・・・パイプに水が詰まっているとき、その一端から水を押し込むとパイプの他端から直ちに水が飛び出します。この飛び出した水はもともとパイプに入った水が押し出されたものであって、一端から入った水が移動して他端に到着したものではありません。電気もこれと同じことです。」p198「電磁誘導とは、コイルに電流を流すと、コイルに電流が流れている間、電磁石となり逆にコイルに磁石を近づけるとコイルに電流が流れるという現象」、
・相良岩男著 『電波の本』日刊工業新聞社 2016.2.22 第二版1刷
p30文章引用「1834年レンツは何らかの原因で誘導電流が流れると、誘導電流を妨げる方向に誘起機電力を生じるという「レンツの法則」を発表した。」
p32「・・・まず空間に磁界が電界を発生させ（これが誘導電界）この電界によってループ状の変位電流が発生する。次に変位電流を打ち消す方向に新しい電界がループ状に発生していくといことが連鎖的に起こりながら伝播していく。
・円山重直著 『光エネルギー工学』養賢堂 2004.4.30 第1刷発行 p9
・竹内薫著 『量子力学』講談社 2003.6.1 第五刷発行
p29円偏光、偏光フィルターの説明 p154～166
p165 スピーン測定器 p167「情報が伝わっているわけではなく、絡み合った状態というのは、そもそも、空間を超えて絡み合っているわけで、左の電子から右の電子に情報が伝わったわけではない。ある意味で、量子力学というのは最初から共時性を含んだ理論とみることができる。
・コリン・ブルース著 和田純夫訳『量子力学の解釈問題』講談社 2008.5.20 第1刷発行
・根本香絵・池谷瑠絵著 『ようこそ量子』 丸善 2006.12.15 発行
p176文章抜粋「最大にエンタングルした状態にある2量子ビットについて、・一方の量子ビットが測定されると他方はそれに応じた状態に変化している。・一方の量子ビットの状態は、他方の量子ビットの状態と無関係に変化することはない。・情報が高速を超えて移動することはなく、相対論に抵触しない。
・阿部龍蔵著 『 光と電磁場』放送大学 1992.3.20 第1刷 p37 レーザー、干渉性（コヒーレント）
・阿部龍蔵著 『物理の世界』 放送大学 1994.3.20 第1刷
・阿部龍蔵・川村 清 著 『量子力学』放送大学 1997.3.20 改訂版1刷
・桑原守二・三木茂監修 『電気・電子のしくみ』 ナツメ社 1997.7.20
・小暮陽三著 『物理のしくみ』日本実業出版 1994.10.15 8刷発行
p116～117、電気と磁気のからみあい
p118～119 マックスウェルの方程式
p120～121 ヘルツの実験
p92 気体分子の運動と温度
p96 液体、固体と絶対温度
・吉弘芳郎著 『分子の見方・考え方』オーム社 1974.5.20 第1版1刷 p57
・原康夫著 『量子力学』岩波書店 1994.6.6 第1刷発行 p4～5
・小沼通二著 『現代物理学』 放送大学 1997.3.20 改訂版1刷
p107 くりこみ理論
・竹内薫著 『超ひも理論』 講談社 2007.12.1 第1刷発行
・竹内了著 『時間とはなにか』 講談社 2008.10.30 第2刷発行 p104 ミュー粒子
・山崎耕造著 『宇宙線と素粒子の本』 日刊工業新聞社 2018.1.18 初版一刷発行 p84～85 サイクロン運動 p146 タキオン（光の速度より速い粒子）p148超ひも理論と幕宇宙 p150～151 暗黒物質 p151 暗黒エネルギー
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