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【高校物理】熱と温度の違いは?【熱力学の基本をわかりやすく解説】


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悩んでる人

温度の違いって何?
絶対温度って何?

今回は、上のような疑問を解決していきます。

受験生でも、『熱と温度の違い』について聞かれると、説明できない人がたくさんいますが、説明できない人は危険信号です。

この記事を機会に、熱と温度の違いを説明できるようにしておきましょう!

✔この記事の内容
・熱と温度の違い
・絶対温度と摂氏の違い
・物理における絶対温度は気体分子の運動エネルギーの平均値

熱と温度の違いとは?

日常生活でも、熱と温度を区別しないで使っている人が多いですよね。

例えば、風邪をひいたとき、熱があったら温度が高いみたいに使いますが、物理の世界では、2つの違いをしっかり区別しておくことが大切なのです。

ココがポイント

・・・高温の物体から低温の物体へ移動する熱運動のエネルギー
温度・・・気体分子の熱運動の激しさ

熱はエネルギーのこと

とは、高温の物体から低温の物体へ移動する熱運動のエネルギーのことを言います。

悩んでる人

エネルギーということは、単位は[J]ですか?

そうだよ!熱は仕事とかの単位と同じなんだ!

塾長

さらに、熱は高温の物体から低温の物体へ移動するという性質があります。

例えば、氷をにぎっていると氷が解けるけれど、これは手(高温)から氷(低温)に向かって熱(エネルギー)が移動して氷の温度が上がったからですね!

今まで、エネルギーの授受は、仕事(力×距離)でしかできなかったけれど、熱は仕事とは違った形でエネルギーの授受ができるのは面白いね!

塾長



温度は熱運動の激しさを表す!

我々が、生活している空間には、酸素や窒素などの気体分子が、あちこち飛び回っています。

その運動の激しさを表す言葉が、温度です。

例えば、『気温が高い』なら、気体分子の熱運動が激しい、みたいになります。

物理世界では、温度を表す言葉として、絶対温度を使うね!

塾長

温度を表す言葉には、主に摂氏℃絶対温度K』の2つが使われています!

摂氏と絶対温度

共通点
メモリの刻みが同じ

相違点
摂氏は基準が氷が解ける温度で、絶対温度は気体の熱運動が止まる温度

摂氏と絶対温度は、どちらもメモリの刻みが同じなので、摂氏で1℃上がれば絶対温度でも1K上昇します。

一方、2つの違いは基準の取り方にあり、摂氏基準が氷が解ける温度が基準なのに対し、絶対温度気体の熱運動が止まる温度が基準になっています。

絶対温度の基準(0[K])のことを絶対零度というんですよね!

つまり、絶対零度では、気体分子の熱運動が停止するので、それ以下の温度は存在しないので、注意しましょうね!

さらに、摂氏\(t℃\)と絶対温度\(T[k]\)の間には、

$$T=t+273$$

の関係式があります!

例えば、27℃であれば、絶対温度では273を足した300[K]になります。

2つの温度を比較したときは、必ず絶対温度の方が大きな値になります!

塾長

ココがポイント

摂氏と絶対温度の間の関係式$$T=t+273$$

物理で温度は気体分子の運動エネルギーの平均値のこと

今までの話は、物理基礎の範囲の話でしたが、物理の範囲では、温度気体分子の運動エネルギーの平均値のことを言います。

悩んでる人

ちょっと意味が分からないのですが。

物理の範囲では、絶対温度は以下のような式が登場します。

$$\frac{1}{2}m\overline{v^2}=\frac{3}{2}k_BT$$

\(k_B\)をボルツマン定数といい、右辺は絶対温度T以外は定数なので、絶対温度は運動エネルギーの平均値ということができます!

導出は、入試問題として頻出だから、しっかり練習しておこう!

塾長

まとめ:熱と温度の違いをしっかり理解しておこう!

今回は、熱と温度の違い絶対温度について話してきました。

ココがポイント

・・・高温の物体から低温の物体へ移動する熱運動のエネルギー
温度・・・気体分子の熱運動の激しさ

この2つの違いと、絶対温度について説明できるようにしておきましょう!

さらに、絶対温度の導出は、物理の範囲で大学入試の頻出問題になっていますので、何も見ずに解けるようにしておくことが大切ですよ。

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しばけん

現役時代センター試験60点台。浪人中予備校に通い神授業に出会う。旧帝大模試で物理偏差値65を叩き出し、その経験を活かして現在は塾で中学生や高校生に数学や物理を指導中。

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