関連講座 NO.3 温度って何

身の回りにある現象で、知ってるけど、うまく説明できない。考えると、よく分からない。
こんな「?」を、博い知識を有している学園長が歴史や文学なども交えながら、小学生から理解できるように面白く、そして分かりやすくお話してくれています。
それを、生徒たち(元気学園大学生チームがメインとなって)が、文章にして、絵や図の解説をつけました。

NO.3 温度って何

温度とは何でしょう。
水が凍る温度は0度、水が水蒸気になる温度は100度だということは、小学校の理科で習うね。
でも、富士山やエベレストの上で水を沸かすと、沸騰する温度は100度ではない。もっと低い温度。
また、穴を掘って、千メートルくらいのところで水を沸かすと、100度では沸騰しない。110度くらいになる。
100度は、海抜0メートル、1気圧の場所で、水が沸く温度のこと。
低気圧、例えば台風の目の中で水を沸かすと、98〜99℃で沸騰する。


私たちが普段使っている「℃」という温度目盛は「セ氏」といい、スウェーデンの物理学者セルシウスが作ったもので、フランス革命の時にできた。
現在使われている温度目盛には、もう一つ「カ氏」というものもある。これは、ドイツの物理学者ファーレンハイトが作ったもの。こちらを使うと、「今日は100度だから、暑いなぁ」となる。セ氏を使っている私たちは少し違和感がありますね。
カ氏はアメリカやカナダで普通に使われている。でも、世界で多く使われているのはセ氏の方。


人間の体温は36度くらいです。熱を出すと、3度くらい上がります。40度くらいになると、寝込んでしまう。
熱とは何だろう?熱を出したとき、手ぬぐいをしぼって額の上に置いたりするけれど、そうすることで、体から、「熱」という見えない物質が手ぬぐいに移ったりするのだろうか?
そうではない。熱という物は本当はないんです。
同じように目に見えない物に電気がありますが、電気は物質が存在している。熱とは違うのです。
では、熱・温度とは、いったい何なのだろう?


気温とは、空気の温度のことだね。
空気が、何で出来ているか知ってますか?
まず、大部分を占めているのが窒素。
記号で表すとN2となり、これは英語のnitrogenから取ったもの。空気の中の78%は窒素です。
次に多いのが酸素。酸素はoxygenのO2と表される。21%が、この酸素で占められている。
N2やO2などの元素記号は、英語から取っている。
でも、全てが英語ではない。例えば、ナトリウムの元素記号はNaだね。これは、ラテン語のnatriumから取ったもので、英語ではナトリウムの事をsodiumという。
このふたつの物質の他、空気中には、アルゴン・ネオン・ヘリウムなどの不活性気体や、二酸化炭素が含まれている。
これは、全体の1%くらい。

現在、空気中の二酸化炭素の増加による温暖化が問題になっているけれど、この比率は、だいたいは動くことはなく、いつも同じ。
空気には、もう一つ、ある物質が含まれているのだけれど、わかるかな?
そう、水。
空気中には、多くの水分が含まれており、それがないと私たちは生きてはゆけない。
けれど、水が含まれている量は、その日、その場所によって全然違う。
お風呂場の空気に含まれている水の量は多いだろうし、砂漠の真ん中の空気の場合は、とても少ないだろう。
今日はカラッとしてるな、という日は少ないし、梅雨時で雨ばかり降ってる、という日は多い。
だから、先ほどの空気の組成の比率は、水を除いた全ての物質の割合なんだよ。


空気には、N2、O2や、Arなどの不活性気体の他、多くの水(H2O)が含まれている。
この水を、半分に分けていく、と考えてみよう。半分にしたものを、さらに半分にし、これを繰り返していくと、もうこれ以上は分けられない!という所に行き着く。
これが、水の分子。
水の分子は、H2Oと書くね。
Hとは水素、Oとは酸素のことで、水は水素原子2個、酸素原子1個から出来ている、という意味になる。
どのようにつながっているかというと、真ん中に酸素Oが来て、2本の腕を少し斜めに伸ばし、その先に水素Hがある、という格好。
この腕の角度は、104.5°。空気中では、この分子が、自由に飛び回っている。


実は、温度とは、「分子がどのくらい激しく飛び回っているか」という尺度なんです。
分子が激しく動いていると温度は高く、あまり動いていないと低いということになる。 気体の状態では、水の分子が自由に飛び回っている。温度が下がると、その動きは遅くなり、分子同士がくっつきあって液体になる。それでもゾロゾロとゆっく り動いてはいるんだけど、さらに遅くなると、ぎっしりと詰まった状態になり、ほとんど身動きがとれなくなる。これが固体。人間に例えると、ぎゅうぎゅうに 詰まった満員電車のような感じになる。
これに対し、少しすき気味の電車に乗った人たちが液体、100メートル競争で走っている人は気体、というイメージ。
水を沸かすと、激しく分子が動き出し、空気中に飛び出していく。
温度が低くなると、分子が動かなくなる。


たき火の温度は、600〜700℃。
太陽の温度は、6000℃(太陽の表面)。
実験室で低い温度を作ることがある。
低い温度を作るには、氷に塩を混ぜると、−10何度まで下げることが出来る。
(氷と塩の割合を3対1にすると、−15℃〜−20℃まで下げることが可能)

それよりも低い温度のものはドライアイス(−79℃)で、これは炭酸ガスの固体になったもの。
ドライアイスにある種の有機物を混ぜると、更に低い温度になる。
これよりも低い温度のものは、液体窒素(−195,8℃)。 酸素も−183℃で液体になり、低温だが、酸素よりも液体窒素の方が少し低い。


それじゃ、液体窒素はいったい何に使うんだろう?
例えば、お芝居やドラマのシーンに使う煙。でも、これは白い煙のように見えるけど、実は霧なんだよ。液体窒素の低温で周りの水蒸気が冷やされ固体になり、水蒸気が白く見える。
その他に、液体窒素の中に物を入れて、コチコチになった物を叩き割り、粉々にして処分するという方法がある。例えばタイヤはゴムなので、そのままでは壊せ ないが、液体窒素に入れてコチコチにし、それをハンマーで粉々に割る。皆が使っている消しゴムも、コチコチになるよ。


液体窒素よりももっと低温のものは液体ヘリウムで、−268.93℃で液体になる。ヘリウムは空気より軽い。飛行船や風船はヘリウムを使っているので浮くんだね。
高温にはほぼ限りがない。(分子の動くスピードが光のスピードまで上がることが出来れば、それが高温の限界。光速と同じスピードになるまで温度は上昇し得る。)
例えば太陽の温度。そして、星が爆発した時には2万℃にもなる。
しかし、低温には限界があり、−273.15℃(絶対温度)までしか、温度は下がらない。
−273.15℃では、どんな物質も分子がピクリとも動かなくなってしまうんだよ。

ちなみに、真空では温度は存在しない。物質が何も存在しないから、温度もないんだね。

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