温度の正体が何か、を考えてみましょう。下の図を見てください。

これは、水の入った容器をガスコンロで温めている図です。ガスコンロによって水に熱を与えていますね。水は 分子 からできており、一つ一つの分子はさまざまな方向に運動しています。この状態から水を熱すると、温度が上がりますね。温度が上がると水分子の運動が激しさを増します。図で水分子に書いてある矢印が 速度 だとすると、温度が上がると矢印も長くなるのです。このように温度と分子の運動には関係性があります。

温度と運動エネルギーの関係をもう少し詳しくみていきましょう。水分子一つ一つの質量をm、速さをvとおくと、水分子の運動エネルギーは1/2・mv²ですね。この運動エネルギーと絶対温度T[K]の間には、実は 比例関係 があります。つまり、 温度が上がると分子の運動エネルギーが増加する ということです。その関係を表したのが次のグラフです。

温度をどんどん下げていくと最小値は0[K]ですね。この0[K]のことを 絶対零度 といいましす。絶対零度では、運動エネルギーも0となり、 すべての分子が全く動かない状態 です。

最後に、ここで扱っている運動エネルギーが 平均値 であるということには注意してください。実際は分子一つ一つの速さはバラバラであり、その運動エネルギーもバラバラです。あくまで、分子の運動エネルギーは平均を考えているということを覚えておきましょう。

温度とエネルギーの関係から、そもそも熱とは何かを考えてみましょう。ガスコンロで水に熱を与えると、温度が上がりますね。温度が上がると分子1つ1つの運動エネルギー1/2・mv²[J]が増加します。 熱を与えるということはエネルギーを与えるということ となのです。つまり、熱の正体は エネルギー なんですね。熱エネルギーは Q[J] と表します。

ある物質に熱を与えるとき、その物質の 運動エネルギーの増加分 は 与えられた熱エネルギーと等しい ということを押さえておきましょう。