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2009年7月31日 (金)

熱とは何か?

熱はエネルギーの一つの形である。(エネルギー(カロリー計算1):2月21日参照)

 

物質の温度が高いほど、その物質の持つエネルギーは高い。

 

熱のエネルギーは何なのか?

それは物質を構成する粒子、すなわち原子、分子、電子など、の運動のエネルギーである。

(この表現はあまり正確ではないが、話を分かりやすくするために、こうすることにする。)

温度が高いと、物質中の粒子の運動は激しくなり、温度が低いと粒子の運動は緩慢になる。

絶対零度(0K:0ケルビン)では、粒子の運動はゼロになるはずである。

(しかし現実には、零点振動という量子力学的な効果が現れて、運動が止まることはない。)

 

熱の移動、すなわち熱エネルギーの移動は粒子の運動の伝達で起こる場合(熱伝導)と、赤外線などのような電磁波による場合(輻射)がある。

 

温度をもつ物質は、電磁波を放出するので、真空のような何もないところでも、熱の移動は可能である。

 

したがって、真空もエネルギーを持ち、真空の温度は真空中の電磁波の密度と波長で定義されている。

真空の温度が高くなるにつれて、最も密度の高い電磁波の波長が短くなる。(ウィーンの法則)

この波長と温度の関係は、物質を熱したときに物質から放出される電磁波の波長と温度の関係と、近似的には対応する。

 

例えば、鉄やタングステンを熱すると、500℃あたりでは暗赤色であり、1000℃あたりから黄色っぽくなってきて、更に温度を上げると白色に近くなる。更に高い温度、10000℃以上になると、青白くなってくる。

 

10000℃以上の温度の星からの光は波長の短い青白色に見えるのも、星からの電磁波()の波長が短いためである。

 

温度の高い物質中の粒子は激しく運動していると共に、電磁波を放出している。

近くに温度の低い物質があると、熱伝導や輻射によって、温度の高い物質から低い物質へ熱が移動する。

この移動は、自然に起きる。

 

しかし、逆の過程、すなわち低温の物質から高温の物質への熱の移動は、自然には起きない。逆の過程には外からの仕事が必要なのである。

 

これは、熱力学第2法則と呼ばれている。

 

当たり前といえば当たり前のことではありますが…

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コメント

低温の物質から高温の物質への熱の移動は、自然には起きないという、非可逆な過程があるから時間も非可逆ということでしょうか。

Covaさん

時間はちょっと違うような気がしています。
時間は独立した次元なので、この次元を含む空間(例えば4次元の空間)ならば、戻すことが出来るかもしれません。
もっとも、4次元空間の世界でも時間の流れ(超時間?)があるはずで、そうなると、この議論は終わらなくなりますね。

3次元世界での時間は、不可逆だといって良いのかもしれません。
時間の逆転に関する実験結果は素粒子の世界でもないと思います。
(不勉強で、この辺りになるとあやふやです)

時間と空間は、不可分であり、空間とは現象の広がり(つまり存在)の場であり、時間とは現象の繋がり(つまり因果関係)の場である、と見ても良いのではありませんか。

現象の存在の場としての空間を離れて、時間はありえないのでは?

時間とは、空間とともに現象の存在形式なのでは?

だから、時空四次元と呼ばれるのでは?


Covaさん

はい、そのとおりだと思います。
数学的には時間軸は空間軸に対して直交しており、
独立なのですが、確かに切り離すことは出来ないと思います。

近年「無から有を生ずる」話が多い。ビッグバン、ひも理論など宇宙に存在した経過で、「質量」がエネルギーの後と言うものがいる。超高温の宇宙から冷えるとともに、素粒子、原子が生じたのだと。「エネルギー・熱の発生には質量が不可欠」。宇宙の誕生・・現在の地球・・未来の地球・・は延々と脈動するプロセスの真っただ中にある;。。。質量の集中→核融合・より大きな原子の形成→「蓄積核融合エネルギ>>質量の物質をつなぎとめる力」状態に到達→爆発(スモールバン)→質量の発散→より大きな質量の集中→→(第nステップミドルバン)・・・宇宙にを存在するすべての質量の集中・・・・→(ビッグバン)→質量集中するもののもうバンは起こらない。ビッグバン以前のスモールバン、ミドルバンは宇宙のローカルに多数生ずる。私たちの天の川銀河が円盤状渦巻き運動しているということは、他の大きな質量の作用化にあることになり、現在の地球は何番目の段階かわからないが、ミドルバンのステージにあることになる。それぞれのステージを「私たちの宇宙」と呼ぶのかもしれない。脈動するバンの周期は徐々に長くなる。いずれにせよ、宇宙運動の源は、唯一「質量」であり、その他、強い相互作用力、弱い相互作用力、電磁力は派生的に生ずるものである。この考えを数学的に肉付けするには労力を要する。

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