絶対温度とセルシウス温度の関係を解説【ケルビンへの変換】

熱力学
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taniten
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今回は絶対温度について解説していくよ!

絶対温度?いつも僕たちが使ってる温度とは違うの?

ふうた君
ふうた君
taniten
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僕たちが普段使っているセルシウス温度との関係はもちろん、他の色々な温度の表し方についても紹介するよ!

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そもそも「セルシウス温度」って何ですか

みなさんは「温度」という言葉を聞いて、どのようなことを想像しますか?

きっと「温かい」とか、「冷たい」みたいな感覚的なイメージを持つ方が多いと思います。

しかし人によってその感じ方は異なります。
例えば僕は猫舌なので、周りの人が飲めるコーヒーも、冷めてからでないと飲むことができません。

このように人それぞれで感じ方が異なる「概念」を、物理的現象として扱うためには単位を導入すればいいのです。

単位の役割について解説した記事はこちら。

そこで導入された温度の単位としてよく使われるのが、セルシウス温度なのです。
単位は皆さんご存知のですね。

taniten
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セルシウス温度はセ氏温度とか摂氏温度とかって言ったりもするよ。

このセルシウス温度は、「1気圧における水の氷点を0℃、沸点を100℃」と定めた温度目盛で、日常生活で扱うのに非常に適した単位となっています。

氷点は水が氷になる温度、沸点は水が水蒸気になる温度だったね!

ふうた君
ふうた君

ちなみに1気圧とは我々が普段暮らしている地上での大気圧のことです。

じゃあ「絶対温度」は何者やねん

「日常生活で使うのが便利なんだから、セルシウス温度だけ使っていればいいじゃないか!」

と思う方がいるかもしれません。

まさにその通りで、普段使うだけならセルシウス温度だけ知っていれば十分です。

しかし物理学の世界では、これから解説する絶対温度」を使う方が便利なのです。

絶対温度の定義

絶対温度は、「物質を構成する原子・分子の熱運動が止まるときを0ケルビン」と定めた温度目盛です。

ここで出てきた「ケルビン」とは絶対温度の単位で、セルシウス温度の℃に相当します。アルファベット1文字で「K」と表します。

原子・分子というのは物質の最小単位ですから、この熱運動が止まるということは、0ケルビンより下の温度は存在しないということになります。

物理では粒子の熱運動も扱いますから、運動していない状態を0ケルビンとして定義している絶対温度の方が、何かと都合がいいわけです。

taniten
taniten

ちなみに「ケルビン」は有名な物理学者のウィリアム・トムソンに与えられた爵位、「ケルビン卿」が由来だよ。

0トムソンにはならなかったんだね。

ふうた君
ふうた君

絶対温度とセルシウス温度の関係

いくら物理学では絶対温度が便利だと言っても、実際に使われているセルシウス温度から変換できなければ意味がありません。

そこで絶対温度とセルシウス温度の目盛幅は同じものと定義されていて、互いの温度を行き来できるようになっています。

様々な実験の結果、絶対温度の0ケルビンはセルシウス温度の−273.15℃に相当するとされています。

したがってセルシウス温度\(t\)[℃]と絶対温度\(T\)[K]の間の数値的な関係は、
$$T = t+273.15$$
となります。

例えば水の氷点である0℃は273.15K、沸点である100℃は373.15Kとなります。

taniten
taniten

この−273.15℃は絶対零度と呼ばれていて、物質を構成する原子・分子が完全に停止する温度だよ。

こ、こわすぎる

ふうた君
ふうた君

他の温度の表し方いろいろ

私たち日本人はセルシウス温度と絶対温度しか日常生活では使いません。

絶対温度は日常では使わないだろうけど・・・。

ふうた君
ふうた君

しかし外国では他の温度が使われていたりするので、有名なものを紹介します。

華氏温度 [°F]

アメリカで一般的に使われている「華氏温度」は、セルシウス温度と同じように水の氷点と沸点から定義されている温度の単位です。

しかしこちらの定義は、「1気圧における水の氷点を32°F、沸点を212°F」とされていて、セルシウス温度とだいぶ異なることがわかります。

セルシウス温度\(t\)と華氏温度\(F\)の変換は、
$$t = (F-32)\div 1.8$$
です。

なんでこんな式になるかというと、華氏温度の1目盛幅は\(1/1.8\)ケルビンと定義されていて、セルシウス温度の1目盛幅と異なっているからです。

taniten
taniten

ややこしすぎますねえ

アメリカ旅行にいくときは確認しておかなきゃだね。

ふうた君
ふうた君

蘭氏温度 [°R]

最後に紹介する「蘭氏温度」は、もはや使っている人はいませんが、一応紹介しておきます。

蘭氏温度は絶対温度と同じように「物質を構成する原子・分子の熱運動が止まるときを0°R」と定めています。

一見絶対温度と変わらないように思えますが、1目盛の幅が絶対温度とは異なり、華氏温度と同じ\(1/1.8\)ケルビンになっています。

まあ絶対温度を使うのが全世界共通ですから、蘭氏温度をわざわざ使う必要はないんですよね・・・。

まとめ

セルシウス温度(摂氏温度)の定義
 → 「1気圧における水の氷点を0℃、沸点を100℃
絶対温度の定義
 → 「物質を構成する原子・分子の熱運動が止まるときを0ケルビン

セルシウス温度\(t\)[℃]と絶対温度\(T\)[K]の数値的な変換式は、
$$T = t+273.15$$
である。
taniten
taniten

れ以降の高校物理で出てくる温度は、基本的には全て絶対温度だよ。

物理をやってる人にとっては、絶対温度の方が日常的な単位なのかもしれないね・・・。

ふうた君
ふうた君

コメント

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