物理基礎の熱力学�@（温度と内部エネルギーと熱）

※このプランは，物理教育通信 2013 No.151「高校物理　熱の学習2012」（石井登志夫先生）を参考にしています。 ありがとうございます！

１．高校での物理の進め方

・自己紹介
・高校1年での物理基礎･･･熱力学・波動・電磁気学・力学
・教科書と問題集の扱い
・物理の勉強の仕方

これからは熱力学という範囲を勉強していきます。 中学時代は中一で氷を熱したりしたかと思いますが，あまり扱いませんでした。 中三の最後にエネルギーを学習しました。そことのつながりを考えながら 学習してほしいと思います。

２．熱平衡

では実際に内容に入っていきます。これは温度センサーというものです。 昨年度は力センサーや距離センサーを使ったので，要領はわかるね。 いま，横軸が時間，縦軸が温度です。現在の温度は24[℃]ですね。

N君，昨日部活休んだね。大丈夫？体温は高い？
「いまは熱はありません。」
じゃあ，体温測ってみようか！
ちなみにいまN君は「熱はない」といったけど， 「体温は通常通り」という意味だよね。つまり， 普段，熱と温度って同じ意味で使っているよね。 今日の目標は温度と熱がどう違うのか理解することです。

生徒の予想：

※クラスによってだいぶ意見が異なりました。 曲がったグラフが出てこないクラスもあり，一定値が多いクラスもありました。

赤：「N君の体温は変わらないのだから，はじめから同じ温度」
白：「体温まではあがって，一定になる」
青：「はじめはグッとあがるけど，だんだんゆっくりになる」
黄：「徐々にあたたまって，体温のところで止まる」

では，実際にやってみましょう。

このように，曲線になります。 ちなみに，いま温度を測ったけど， このグラフに表れているのは何の温度かわかる？
そうなんだよね，これは「温度計の温度」が表れている。 「N君の温度」ではないよね，温度計握る前はN君は24℃だったわけではない！

じゃあN君の手の温度はどうなの？変化した？ まあ，温度計も小さいし，実際には血液が循環していて， N君はたぶん変温動物ではなく恒温動物なので， 温度はほとんど変化しないけど，実際にはちょっと下がったはずだよね。

グラフは，温度差が大きいほど，温度変化が激しい（傾きが大きい）ことがわかります。 そして，最終的に一定値になります。
ちなみにこの曲線を数学的にあのニュートンが説明したんですね。 彼は力学だけでなく，熱の分野でも名前が残っている。 来年勉強する光でも出てくる。すごい人です。

３．ミクロな視点で見てみると･･･

そもそも温度って何？温度が高いって何が違うのかな？

これらのことはミクロな視点で見てみると理解できます。
物体は何でできていますか？そうです，分子・原子でできている。
ちなみに，このチョークの原子ってこのなかで静止していると思いますか？ 動いていると思いますか？固体は，場所は固定されているけど， 完全に止まっているわけではなく，その場所で振動しているのです。 いまの，椅子に座っている君たちみたいなものです。
液体は休み時間の君たちみたいなものです。 歩き回っている。
気体になったらこの教室を飛び回っている感じです。

で，まあ，固体中の分子は静止しているわけではない。 動いていると何エネルギーを持つんだっけ？ そうです，運動エネルギーを持つよね。 動きが激しければ運動エネルギーも大きくなる。 「温度が高い」というのは， 物体を構成する「原子分子が激しく動いている」という状態です。

その高温の物体が低温の物体と接触したらどうなるかというと， 原子分子が衝突して，高温物体から低温物体へ「エネルギー」が 移っていく。この移動したエネルギーを「熱」といいます。 そうして，最終的には「同じ温度になる」。 この状態を「熱平衡状態」とよびます。

４．温度と内部エネルギーと熱

ここまで話したことをまとめておきましょう。

温度は「temperature」なので，Tやtを使って表すことが多い。 [K]はケルビンと読みます。次回また説明します。

５．まとめ

「熱があるので，部活を休みます。」よく聞くフレーズですね。
しかし，物理の言葉としてはこれは間違いといえます。
さっき説明したとおり，「熱」とは「移動したもの」なので， 「もっているもの」ではない。だから，「熱がある」とは言わないのです。
ではどういったらいいでしょうか？
単純には「体温が高いので･･･」です。これを他の表現に変えてください。
S君：「平均以上に熱をもっているから」
なるほど，「平均以上に」っていい表現ですね。 でもね，熱はもっているものではないので，そこを他の言葉にしてください。 S君：「内部エネルギー？」
素晴らしいですね。「平均以上に内部エネルギーがあるので，部活を休みます」。 大正解！他にはどうでしょうか？
K君：「いつもより原子の動きが激しいので，部活を休みます」
素晴らしい！大正解です！K君はバレー部だね，今度先生にいってみて。
K君：「殴られます」
そうかもしれない。イラッとするね。
S君：「めんどくさいっすね」
そうだね，日常生活でつかえってことではない。 でも学問では言葉の定義って大切になる。 昨年学習した「仕事」も日常で使う意味と物理で使う意味はちがったよね。 それを使い分けられるようになってほしいのです。ぜひ覚えておいてください。

授業を終えて。。。
・はじめの実験で，手の温度を扱わずに「手から温度計に熱が伝わって，熱平衡状態になった」 ということを最後のまとめにしたクラスもあった。そうすると熱が伝わるということが， ミクロの話の前にできないので，やりにくかった。
・思った以上に生徒は反応しながら聞いてくれた。はじめの授業としてはOK。
・しかし，絶対温度までは進まない。何かを削った方がよいのか？

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