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物理学入門:熱の移動と熱平衡をシミュレーターを用いて解説!

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熱の移動と熱平衡とは何か?を解説してききます!

前回の記事で、温度が分子の移動速度と関連があることを説明しました

今回は、その温度に変化をもたらす熱平衡について解説していきます!

物理学入門:熱の移動と熱平衡をシミュレーターを用いて解説!

熱は「高温」から「低温」に移動していく!

2つの物体があるとき、温度の差があると熱の移動が起きます。この時重要なのは、必ず「高温の物体」から「低温の物体」に熱が移動していくという事です。

↓のように2つの物体があると、図の矢印の方向に熱は移動します

「低温」から「高温」に熱が移動することはない!

ここで重大なのは、「低温」から「高温」に熱が移動することはないということです。例えば↑の例でいうと、0度の物体が-20度になることで、100度の物体を120度にしたりは出来ないということです!

この性質はとても重大なことです!2つの温度の差が広がるような方向に、熱が移動することはないという事です。

熱移動の結果、時間が経つと同じ温度になる!(熱平衡)

もう一つ重要な性質は「2つの物体の熱の移動により、長時間経つと同じ温度になる(熱平衡)」という性質です。2つの物体に温度の差がある限り、熱の移動が発生します。そして、熱の移動が発生すると、温度の差が縮まります。これを繰り返すので、、、最終的に2つの物体は同じ温度になるんです!

これを「熱平衡」といいます。

↓2つの温度の差がなくなっていき、最終的には同じ温度になっていきます

熱の移動はエネルギーの移動

上記のように熱は「高温」から「低温」に移動していきます。この時に、分子の目線から見ると、「分子運動の激しさが変わっていく事になります。高温側は動きの激しさが減少し、低温側は運動の激しさ/速度が増していきます。激しい動きをしてるほど、物体の接触面を押す力が強くなり、その結果低温物質にエネルギーが受け渡されるのです。

分子運動の目線で見ると、高温物質から低温物質への運動エネルギーを受け渡している事になるんです。これこそが、熱の正体であり、熱の移動は物理エネルギーの移動と同等なんです。

ですので、物理学では熱の量を、エネルギーと同じくJ(ジュール)で表します。

物理での熱の表わし方

熱Q (J)

この熱の移動/エネルギーの移動は、両物質の速度が同等になるまで続きます。つまり、熱平衡とは両方の物質の運動エネルギーの移動が終わり、同等の分子の動きの激しさとなった状態と言えます。

シミュレーターで熱の移動と熱平衡を確認しよう!

上記で解説した「熱の移動」と「熱平衡」をシミュレーターを用いて理解しましょう!

[シミュレーションの説明]
  • 100度の高温の物体と、0度の低温の物体があります
  • 結合/分離」ボタンを押すと、右側の低温物体をくっつけたり離したりできます
  • それによって熱の移動が起こることを確認しましょう
  • 物体の温度表示として、「赤/青のグラデーション色で示すモード」「分子の動きで表示するモード」の2つを切り替えられます
  • リセットボタンで状態を初期化し、最初から実験できます

↓「結合/分離」ボタンを押して、実験してみましょう!

温度表示色表示  分子表示 



再生速度
1.0
↑動的に再生速度を変えられます。左端で0にすると、一時停止となります。

次回は熱容量について解説します!

今回は熱の移動と熱平衡について解説しました。2つの違う温度を持つ物体があるとき、このような熱の移動が起こります!この熱の移動は「高温→低温」という一方向で流れていきます。また、同じ温度になるまでこの熱の移動は起き続けます。

今回の例では、両物体の中間の50度で熱平衡が起きていました。しかし、物体の性質により、その熱平衡の温度は異なります。次回は、この熱平衡の温度がどのように決まるのか、「熱容量」という概念を用いて解説していきます!

[関連記事] 物理入門: 熱・温度
2.熱の移動・熱平衡(本記事)

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