熱

物理学でいう熱とは、温度差のある2つの物体の間におけるエネルギーの移動である。熱は移動中のエネルギーであるといってもよい。一方、熱(熱エネルギー)の量を数字であらわしたものを熱量といい、温かさと冷たさの度合いを数字であらわしたものが温度だが、温度は熱の出入りによって変化する。

熱は常に温度の高い物体から低い物体へとながれ、物体の体積が一定ならば、低温側の物体の温度をあげ、高温側の物体の温度をさげる。熱を低温側から高温側にながしたいのであれば、エネルギー移動のもう1つの形態である仕事がなければならない。熱の伝達の方法には、伝導(熱伝導)、放射(熱放射)、対流の3つがある。

19世紀初めまで、物体の温度は、熱素(カロリック)という目にみえないものを仮定して説明されていた。熱素説では、高温の物体は低温の物体よりも多くの熱素をふくんでいて、両者が接触すると熱素が低温の物体にうつって温度をあげ、自分の温度をさげるとする。熱素説によって熱の伝達現象の一部分はうまく説明できたが、実験による証明は、1798年にアメリカ生まれのイギリスの物理学者ベンジャミン・トンプソン(ランフォード)、翌年にイギリスの化学者デービーによってなされ、熱が仕事と同じように移動しているエネルギーであることを明らかにした。1840～49年にイギリスの物理学者ジュールは精密な実験をつづけ、熱とは移動中のエネルギーの一形態であり、仕事が生みだすのと同じ変化を物体に生みだすということを明らかにした。

物体にさわったときの温かいとか冷たいという感覚は、温度とよばれている性質によってきめられる。2つの物体の温度を触覚で比較することはやさしいが、温度の絶対的な大きさをしめすことは不可能である。物体に熱がくわわって温度があがると、温かさの感覚がますだけではなく、正確にはかることができるような物理的性質が変化してしまうからである。温度がかわると物質は膨張したり収縮したりする。物質の電気抵抗も変化する。気体の場合は圧力がかわる(→ シャルルの法則)。温度の数値的な尺度をさだめるには、標準物質をきめて、その凝固点などを利用することがおこなわれている。

物質の状態は固体、液体、気体のいずれかの相をとるが、純粋な物質での相の変化は、きまった温度と圧力でおこる。固体から気体への変化は昇華といい、固体から液体への変化は融解、液体から蒸気(気体)への変化は気化とよばれる。もし圧力が一定なら、この変化は一定の温度のときにおこる。相の変化をおこすのに必要な熱を潜熱という。したがって昇華のため、融解のため、気化のために必要な潜熱は、それぞれ昇華熱、融解熱、気化熱とよばれている。→ 相転移

たとえば、ふたのない容器に入った水が1気圧のもとで沸騰した場合、熱をいくらくわえても水の温度は100°C以上にはならない。水の温度をかえないのに相の変化につかわれた熱量が潜熱である。水を蒸気にかえるためについやされ、そのあとは蒸気のエネルギーとしてたくわえられているのである。そのエネルギーは、蒸気が水に凝結(→ 凝縮)するときに、ふたたび解放される。同じように、水と氷の混合物をコップの中で熱すると、すべての氷がとけるまで温度はかわらない。吸収された潜熱は、氷の分子をむすびつけている力にうちかつためにつかわれ、そのあと水のエネルギーとしてたくわえられている。水1gをとかすために6.01kJ/molの熱量が必要であり、水1gを100°Cで蒸気にするのには40.66kJ/molが必要である。