圧力 温度 とは

圧力がどこから来るかから見ます。容器の中の分子は絶えず壁にぶつかり、一度の衝突はごく小さな一撃ですが、一秒に途方もなく多く集まると壁を定常的に押す力になります。スライダーで分子の数を増やすと、分子が多いほど壁に当たる衝突が頻繁になり圧力の棒が満ちるので、圧力は結局、単位面積の壁が受ける衝突の和です。風船が張っているのもタイヤが硬いのも、中で分子が休みなく壁を叩いているからです。私たちを囲む空気もこうして四方から壁を叩き、1 平方メートルごとに 10 トンに近い力で押していますが、内外から同じように押すので私たちはその重さを感じません。

今度は温度です。容器を温めると分子一つひとつがより速く飛び、スライダーで温度を上げると分子がより遠くより激しく跳ね、色も熱く変わります。温度とはまさにこの分子たちが持つ運動の平均で、正確には分子一つが平均してどれだけ大きな運動エネルギーを持つかを表します。だから熱いとは分子が速く動くこと、冷たいとは遅く動くことです。一つ注意するのは、温度が分子一つの速さではなく無数の分子の平均だということで、分子が多くても少なくても平均だけ同じなら温度は同じです。実は分子がすべて同じ速さではなく、速いものから遅いものまで幅広く散っていて、そのうち表面の最も速い分子が飛び出すのが蒸発なので、水たまりは沸点から遠くても少しずつ乾きます。

ここで熱い物体と冷たい物体を触れさせます。スライダーで時間を流すと、熱い側の速い分子が境界で冷たい側の分子とぶつかって運動を分け与え、熱い側はしだいに冷え、冷たい側はしだいに温まります。そして二つの温度が等しくなると、もう一方へ熱が流れなくなり、この状態を熱平衡といいます。大切なのは二つが同じ温度で止まることで、温度が等しいとは分子運動の平均が等しくなってやり取りするものがなくなったという意味です。私たちが二つの物体の温度を比べられるのも、まさにこの平衡のおかげです。だから一つの部屋に長く置かれた物はすでにこの平衡に達していて、金属の取っ手と木の扉は実は同じ温度なのに、金属がより冷たく感じるのは手の熱をより速く奪うからにすぎません。

温度をしだいに下げると分子の動きもしだいに遅くなります。グラフで容器の圧力が温度とともにどう変わるかを見ると、温度を下げるほど衝突が弱まり間遠になって圧力がまっすぐ減ります。この直線を延ばし続けると圧力が 0 になる点が出て、摂氏およそ零下 273 度であり、分子の運動がこれ以上減らせない限界なので、これより冷たくはなれない床です。だから科学者たちはこの点を 0 とする新しい目盛りを作り、それが絶対温度ケルビンで、摂氏に 273 を足すとケルビンになります。熱力学のすべての公式が摂氏ではなくケルビンを使う理由がここで、分子運動の本当の量は床から数えねばならないからです。この床は近づけても完全には触れられず、最も冷たい実験室でさえ絶対零度の 10 億分の 1 度上までしか下がっておらず、それですら空っぽの宇宙空間よりずっと冷たい温度です。

最後に単純ですが深い約束が一つあります。温度計一つで水一杯を測ってある温度が出て、同じ温度計で鉄の棒を測ってまた同じ温度が出たなら、ボタンで温度計を両方に順に当ててみます。どちらも温度計と同じ温度なら、水と鉄の棒を直接触れさせなくても二つは互いに同じ温度です。あまりに当たり前に見えますが、この当たり前さこそ温度という概念が成り立つ土台で、これを熱力学第 0 法則といいます。A が C と平衡で B も C と平衡なら A と B も平衡であり、この法則のおかげで温度計という基準一つで世界のすべての温度を並べて比べられます。この法則がなぜ第 0 法則という名前を得たのかというと、第 1 法則と第 2 法則よりさらに土台なのに、その二つが名前を持ったあとで遅れて整理され、1 番の前の席に差し込まねばならなかったからです。