分子運動と温度

このラボが示すこと

温度を上げると分子は速く動きます。ここまでは、言葉としては受け入れやすい説明です。

ただ、この説明だけでは二つの量が区別できません。理想気体のモデルでは、絶対温度は分子の平均並進運動エネルギーと対応します^[1]。エネルギーは温度だけで決まりますが、同じエネルギーに達する速さは分子の質量によって変わります。

温度を変えたときに表示が速くなるのは、後者を見ています。気体を切り替えると、温度をそのままにしても速さだけが変わり、エネルギーは変わりません。

モデルの範囲

このラボが動かしているのは理想気体です。分子は大きさを持たない点として扱い、分子どうしはエネルギーをやり取りせず、壁で向きだけを変えます。

現実の物質が持つ内部エネルギーには、並進運動のほかに回転や振動、粒子間の相互作用も関わります^[2]。表示している対応関係が成り立つのは、あくまで理想気体の並進運動についてです。物質の温度を一般に「粒子の速さ」だけで定義できるわけではありません。

表示について読み取れること・読み取れないこと

分子の速さは室温でも毎秒数百メートルあります。画面上でその速さを再現することはできないため、表示は比だけを保っています。基準の条件を一つ決め、そこからの倍率だけが正しくなるように描いています。温度を 4 倍にすれば表示上の速さは 2 倍になり、これは実際の関係と同じです。

分子の個数、箱の大きさ、分子の見かけの大きさは、実際の気体の値ではありません。分子の間隔から気体の密度を読み取ることはできません。

速さがばらついて見えるのは、描画の都合ではありません。同じ温度の気体でも分子の速さは一つの値に揃わず、平均のまわりに分布します。表示はその分布から各分子の速度を決めています。

数値について

画面の値は、表示を動かしているのと同じモデルから計算しています。手で書いた表ではないため、モデルを変えれば表示と数値は同時に変わります。

エネルギーの単位 zJ はゼプトジュール、10⁻²¹ ジュールです。分子 1 個あたりの値であり、そのままの桁で書くと読めないため、この単位で表示しています。