熱とは何か

この問いの出発点

暑い空気にもエネルギーがあるのなら、それを発電などへ利用できないのか。熱とエネルギーをめぐる問いは、この引っかかりから始まります。

ただし、その先を考えるには、先に言葉をそろえておく必要があります。日常語の「熱」と、物理学でいう「熱」は、完全に同じものを指してはいません。

調べて分かったこと

温度は状態、熱は移動

温度は、物体がいまどのような熱的状態にあるかを表す尺度です。

これに対して熱は、温度差があるときに系から別の系へ移動するエネルギーを指します^[1]。温度の高いものと低いものを接触させると、自然な過程では高温側から低温側へエネルギーが移ります。この温度差によるエネルギーの移動を、物理学では熱と呼びます。

物体が持つのは内部エネルギー

物体の内部では、原子や分子が運動し、互いに影響し合っています。こうした微視的な運動や相互作用に関係するエネルギーをまとめて内部エネルギーと呼びます^[2]。

内部エネルギーは物体の状態に対応する量ですが、熱は温度差によるエネルギー移動を表します。物体が状態として持つ量と、過程の中で移る量を区別して扱います。

熱は三つの形で移る

熱の移動は、主に次の形で現れます^[3]。

• 物体の内部や接触面を通じて伝わる熱伝導
• 液体や気体そのものの移動を伴う対流
• 電磁波によって伝わる熱放射

熱放射は物質のない空間も進めます。太陽から地球へエネルギーが届くのは、この形の移動によるものです。

誤解しやすい点

「この物体は熱を持っている」という言い方は、日常ではごく自然です。ただし物理学の用語に沿えば、物体が持っているのは内部エネルギーで、熱はそれが温度差によって移るときの呼び名になります。

「熱エネルギー」という言葉も、文脈によって内部エネルギーを指すことがあり、移動するエネルギーを指すこともあります。日常語の使い方が誤っているというより、どちらの意味で使っているかを確かめないと話がずれる、と捉えるほうが実際に近いようです。

身近に確かめられること

十分な時間、同じ室内に置かれた金属と木材は、ほぼ同じ温度でも、金属のほうが冷たく感じます。

触れた手と物体の間で、エネルギーがどれだけ速く移動するかが違うためです^[3]。感覚が拾っているのは温度そのものではなく、手から熱が移っていく速さのほうだと考えられます。触った印象だけで温度を言い当てるのは難しい、ということでもあります。

次に残る問い

熱と内部エネルギーはここで分けられましたが、比べる基準にしていた温度のほうは、まだ説明していません。

• 温度とは、そもそも何を表す量なのか
• なぜ熱は高温側から低温側へ移るのか
• 真空の中で熱はどう伝わるのか
• 空気中のエネルギーを利用可能な仕事へ変えるには、何が足りないのか

ここに挙げた問いは、いずれも科学に答えがないという意味ではなく、このページでまだ扱っていない問いです。順にたどっていきます。

次は、温度とは何かを追います。