固体液体の熱力学②（温度と熱と内部エネルギー）
１．導入
前回は「課題」をやってもらいました。
おかげさまで少しみんながどうやって考えているか知ることができました。
物理用語の「温度」「熱」「内部エネルギー」がごちゃごちゃになっているので，
それらを定義していきます。
先に結論を言ってしまいますが，
「熱があるので、部活を休みます」という表現は，物理的には誤りです。
正確には，「体温が高いので，部活を休みます。」です。
もしくは体重は変わっていない前提で「内部エネルギーがいつもよりも大きいので，部活を休みます。」でもいいです。
これを理解することが今日の目標です。
２．分子の熱運動
いきなりではありますが， 「温度」って何ですかね？何を測っているのですか？ 暖かさや冷たさっていうことではありますが，それは感覚ですよね （ドライアイスを触るとアツッ！ってなるし，氷水で1時間手を冷やした後に ぬるま湯に手を入れればアツッ！ってなるよね）。 何なんでしょ？
小さいところから考えてみましょう。
物体は結局分子や原子でできているわけです。そこから考え始めてみてください。
固体というのは原子分子がどのような状態にあると思いますか？
原子や分子は完全に静止しているのでしょうか？
そうだとしたら－10℃の氷と－100℃の氷には違いがなくなってしまうよね。
ですので，固体であっても原子分子は完全に静止しているわけではありません。
しかし，固まっているわけなので定位置はある。その定位置で振動しているのです。
それを「分子の熱運動」といいます。
そして分子の熱運動の激しさを「温度」というのです。
（君たち一人ひとりが分子だとすると，まさに今の状態が固体です。
つまり椅子という定位置にいるけど完全に止まっているわけではない。そこで動いている）
では，液体とはどういう状態ですか？ これは休み時間の教室みたいな感じ。うろうろ移動はできるけど， 同じ人数が教室にいるのなら，人間同士（分子同士）の距離は固体のときと ほぼ同じ。
ではでは，気体はどうでしょう？ A君，やってみてください。教室の中をビュンビュン自由に飛び回っている感じ。 これは難しいね。例えばあまりいいとはいえませんが，こんなイメージです。 でも，気体はビュンビュン飛んでいるのだから， 分子運動の激しさは固体液体とくらべて大きく，温度も高いということです。
ここで熱力学の特徴ってなんだかわかりますか？ 例えば水はピンポン球くらいで1molです。つまり6×1023個もの分子が存在する。 これまでの力学は１つ１つの物体が他と衝突したりなんて問題を扱ってきましたが， 熱力学は「集団としての性質」を考えていく学問となるわけです。 （そのため熱力学が進むと統計力学と名前を変えるわけです）。
水1mol（18g）は固体液体ともに，だいたいピンポン球くらいです。 これは分子間距離としては3×10－9[m]。 おおよそ分子1つ分の長さですので，お互いの分子はほぼくっつきながら 隙間なく存在しているようになります。 気体になると1molはバスケットボールくらいになります。こうなると分子間の距離は だいたい10×10－9[m]です。 こうなると分子間で及ぼしあう力（分子間力）はほぼ利かなくなりますので， 気体は自由に飛んでいるようなイメージになります。
２．温度・内部エネルギー・熱
温度
さきほど「温度は分子運動の激しさ」としましたが，もう少し詳しく言うと
「温度とは分子の運動エネルギーの平均値」と定義します。
空気中に分子はたくさん存在しており，それぞれの速さはいろいろで，
その運動エネルギーもいろいろですが，それらの平均値を取ったものを「温度」と定義します。
そして，固体でも定位置はあるけれども振動しているので温度はあります。
ただ，どんどん温度を下げていくと，どこかで振動が０になってしまいます。
つまり「温度には下限がある」ということ。そしてそこを０度として
定義しなおした温度を「絶対温度」単位[K]（ケルビン）といいます。
いつも使っている温度は摂氏温度[℃]ですが，摂氏温度で言うと
－２７３℃が下限です。そして摂氏温度と絶対温度のひと目盛りは同じ幅。
アメリカでは摂氏温度ではなく華氏温度を使っています（国際天気予報などで[F]をみたことある？）。
[F]はファーレンハイトと読みます。これは摂氏温度とはひと目盛りの幅が違うので，
使い慣れていない日本人にはわかりにくいです。以前アメリカ人と話していて，
「体温が100度を超えちゃってさー」と言われ，「100度！」とびっくりしました。
内部エネルギー
分子の運動エネルギーの平均値を温度としましたが，
分子の運動エネルギーの合計をしたものを「内部エネルギー」（単位は[J]ジュール）といいます。
厳密には，「内部エネルギーは全分子の熱運動エネルギーと分子間力による位置エネルギーの合計」です。
熱運動エネルギーですので，物体がもっている力学的エネルギーは含みません。
気体になると，分子間距離が大きくなり分子間力の位置エネルギーはほとんど０になります。
ですので，温度が高くなると内部エネルギーも増加します。
熱
では日常よく使う「熱」とは何でしょうか？
物体A（低温）とB（高温）を接触させたとき， 平均的には（つまりAやB内部でどの分子も同じ動きとは限らない）， Bの分子の方が激しく動いており，それがAの分子にぶつかると， Aの分子運動が激しくなっていく。
つまり，Aの内部エネルギーは上昇し，Bの内部エネルギーは減少する。
結局，BからAにエネルギーがエネルギーが移動したことになります。
この移動したエネルギーを「熱」というのです。
つまり熱は持っているものではなく，移動するものということになります。
ですので，物理的には「熱があるので，部活を休みます」という言葉は誤りです。
これは「体温が高いから」もしくは「内部エネルギーがいつもより大きいから」
と訂正しなければなりません（他の先生に言って怒られても責任は持ちません）。
３．熱平衡
このように，BからAに熱が移動していきますが，
これはお互いの分子運動の激しさ（＝温度）が同じになるまで続きます。
その状態を熱平衡状態といいます。
熱平衡状態になると熱のやり取りは０かというとそうではなく，
熱のやり取りのつりあいが保たれていて温度は変化しないと考えるべきです。
ちなみに，２つの物体を接触させたときに温度はどのように変化していくか わかりますか？下の図のような曲線になります。 このように温度差が大きいと速く温度が落ちていき，温度差が小さくなると変化（傾き）が小さくなります。 Bが固体で，Aが液体であれば，「ニュートンの冷却曲線」にしたがってBは冷却されていきます。
余談（勉強中）
物体に手を触れたときの暖かさや冷たさというのは，
そのものの温度だけで決まるわけではありません。
-20℃の金属とプラスチックを触ったら，金属の方が冷たく感じるでしょう。
それは熱伝導率が影響しているわけです。
金属の方が熱を伝えやすいので，冷たいと感じるわけです。
（熱伝導率は冷却曲線の傾きに影響しています。）
また，冷却曲線から温度差が激しい方が熱は移動しやすいことがわかります
（手が温かいときの方が，同じ温度でも冷たいと感じるでしょう）。
結局，物体に手を触れたときの暖かさや冷たさは，
「熱伝導率」と「温度差」によって決まるはずです。
※熱伝導･･･１つの物質内における熱移動
※熱伝達･･･固体と流体間の熱移動
であり，ニュートンの冷却法則は熱伝達を表している。
これと熱伝導率，物体に手を触れたときの熱の移動はどのような関係にあるのか勉強中。
４．まとめ
今日は，温度・内部エネルギー・熱という言葉を定義しました。 これらのイメージを確かにすることが大切です。 次回は２つの物体を接触させると何度になるか考えていきます。
授業を終えて。。。
終始説明になり，寝てしまう生徒もいる。私がおもしろいだけではだめだ。
生徒が疑問に感じていることをベースにしなければならない。
それを引き出せる問題を考える必要がある。
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