温度の科学はあなたが思っているよりも奇妙です

まだ春なのに、日に日に暑くなってきました。もうすぐ本格的な夏になります。少なくとも私が住んでいるルイジアナ州では。でも、人間は周りの環境を変えたがります。寒い時は温めたくなりますし、暑い時は冷やしたくなります。人間って難しい生き物ですね。

よく考えてみると、ちょっと不思議なのは、ある方向に進むのは別の方向に進むよりもずっと難しいということです。何かを温めるのは問題ありません。ほとんど何をするにしても、たとえ望んでいなくても、何かの温度は上昇します。しかし、何かを冷やすのはもっと難しいのです。

意外に思えるかもしれません。なぜなら、私たちは温度を、画面の明るさをスライダーで調整するのと同じように、単にレベルを上げたり下げたりできる次元的なものだと考えていたからです。しかし、これは誤った比較です。家にサーモスタットがあるならご存知でしょう。春になると、暖房からエアコンに切り替える必要があります。これらは全く異なるプロセスです。

これから、人間が温度を上げたり下げたりするために発明してきた様々な方法を見ていきます。しかし、まずは温度とは一体何なのか、という点についてお話ししましょう。いいえ、温度は次元ではありません。もっと複雑なものです。そして、おそらく皆さんが考えているようなものではないでしょう。

温度とは実際何でしょうか?

私のお気に入りの定義は次のとおりです。

• 温度は、長時間接触している 2 つの物体の間で同じになる量です。

淹れたての熱いコーヒーをテーブルに置いて、ソーシャルメディアに気を取られていると、コーヒーの温度はすぐにテーブルと同じになります。ああ！熱エネルギーは同じではないかもしれませんが、温度は同じです。

なるほど。では熱エネルギーはどうでしょうか？これは温度の大まかな定義と一致します。

• 温度は、物体内の粒子の平均運動エネルギーの尺度です（運動エネルギーは質量と速度の両方に依存します）。

熱エネルギーを粒子の運動エネルギーの合計と考えるのは、それほどおかしなことではありません。（少し単純化しすぎています。）

しかし、肝心なのは、2つの物体が同じ温度であっても、熱エネルギーが異なる場合があるということです。ピザをアルミホイルの上にのせてオーブンに入れると、どちらも同じ温度になります。しかし、アルミホイルは質量が非常に小さく、熱エネルギーもはるかに少ないため、取り出したときに手を火傷することはありません。

ここで「熱」という言葉を使っていないことにお気づきですか？この言葉を避けているのは、人々がその意味を知っていると思い込み、熱力学的な状況を理解する妨げになるからです。私たちは通常、この言葉を動詞として使います。例えば、太陽は私たちの体を温めます。お茶を淹れるためにお湯を沸かします。しかし、この言葉は実際に動かすことができる物のようにも使われます。私たちは（愚かにも）「熱を加える」と言ったり、「熱伝達」について話したりします。厳密に言えば、「熱を持ってくる」ことはできません。

物事をもっと熱くする方法

物体の熱エネルギーを増加させる方法はたくさんあります。しかし、基本的には何らかのエネルギー移動が必要です。その方法をいくつか見てみましょう。

光を当てる

エネルギーを伝達する方法の一つは電磁波です。可視光線は電磁放射線の一種で、赤外線、X線、ガンマ線などがあります。これらはすべて同じ種類の波ですが、波長が異なります。そして、どれもエネルギーを伝達することができます。

物を太陽の光に当てると温まるのは、このためです。もちろん、人類は太古の昔から太陽の光を利用して物の温度を上げてきました。今では、揚げ物用のランプも使われています。同じ原理です。

太陽光はここで最もローテクな方法です。しかし、電子レンジも基本的には同じ仕組みです。電子レンジは波長が異なります（500nmではなく12cm）。しかし、そのエネルギーは物質に吸収され、温まります。

燃やせ

火には様々な種類があります。しかし、最も一般的なのは炭素と酸素の化学反応です。この反応において、酸素は炭素と結合して二酸化炭素を生成します。これら2つの元素の間に化学結合が形成されると、大量のエネルギーが得られます。そうです、エネルギーは結合を切断することによってではなく、結合を形成することによって得られるのです。

この方法を使いましたね。古い木の枝などの炭素を集め、空気中の酸素と反応できる温度まで加熱します。これで、マシュマロの温度を上げるのに適した焚き火が完成します。

木材である必要はありません。化石燃料でも十分機能します（未来の世代のために地球を破壊するという点を無視すれば）。鉄やアルミニウムなどの金属も燃やせますが、少し複雑です。

電流を流す

電気回路はゼロから作るのがとても簡単です。電池と導線さえあれば、電流が流れます。ごく基本的な電池は、2種類の金属と、その間に何らかの酸を挟んだもので構成されています。1セント硬貨を使って簡単な電池を作ることもできます。

電池は電線内に電界を発生させ、この電界が自由電子を押し出して加速させます。しかし、電子は最終的に金属電線を構成する原子に衝突し、減速して運動エネルギーを失います。しかし、エネルギーは保存されるため、どこかに逃げなければなりません。そうです、電子の運動エネルギーの損失は電線の熱エネルギーを増加させるのです。

家の中で電気が通っている電線はすべて熱くなります。熱くなるほどで​​はないかもしれませんが、確かに温度は上がります。次に掃除機（大量の電流を消費します）を使うときは、電源コードに手を触れてみてください。温かさを感じられるはずです。

電源コードが熱くなるのは誰も望んでいませんよね。でも、トースターはどうでしょう？内部は電気が通っている電線で、それが熱くなり、パンは電線のすぐそばに置かれてカリカリに焼けるんです。電気オーブンや電気ストーブでも同じことが起こります。

必要な性能を得るには、電線を慎重に選ぶ必要があります。太い電線は細い電線ほど温度が上昇しません。材質も重要です。ニクロムは銅よりも熱くなります。

その他の方法

それだけではありません。温度を上げる方法は他にもあります。

• ガスを圧縮する。これがヒートポンプの基本的な考え方です。
• 原子を分裂（または結合）させます。核分裂（または核融合）は物体を温めます。原子力発電所では、この熱を利用して水を沸騰させています。
• こすってみてください。二つの表面の摩擦は、車のブレーキパッドのように、両方とも熱くなります。通常は望ましくない副作用ですが、摩擦圧接では意図的に利用されます。
• 落としましょう。物が落ちると速度が上がります。そして地面に落ちると、その運動エネルギーは熱エネルギーに変換されます。ですから、物を床に投げて家を暖めることもできますが、上記の方法の方が効果的です。

このセクションで私が言いたいのは、物を熱くするのは非常に簡単だということです。なぜなら、いずれにせよそうなる可能性が高いからです。何をしても、何かの温度は上昇する可能性があります。なぜなら、あなたの行動はエネルギーを他の物体に伝達する傾向があるからです。

物を冷たくする方法

でも、もっと冷やすにはどうすればいいのでしょうか？実は、それはもっと複雑なのです。以下に、私たちが使える冷却方法をいくつかご紹介します。

冷たいものの隣に置く

はい、これは簡単です。飲み物を氷の入った容器に入れると、両者の間に熱相互作用が起こります。熱力学の魔法のおかげで、氷は温まり、飲み物は冷たくなります。

ただ一つ問題があります。この方法を使うには、何か冷たいものが必要です。氷は最適な選択肢です。温度が上昇するには多くのエネルギーが必要であり、固体から液体への相変化にはさらに多くのエネルギーが必要です。つまり、温かいビールは氷に多くのエネルギーを伝達し、その過程で冷やされてしまうのです。

もちろん、お店で氷を袋ごと買うこともできますが、昔は冬の氷を一年中保つ方法を見つける必要がありました。断熱材付きの氷室もありました。しかし、本当の秘訣は巨大な氷を作ることでした。大きな氷の塊は溶けるのに非常に長い時間がかかります。これは昔の技術です。映画『アナと雪の女王』でも、クリストフの仕事は湖の氷を採取して夏に備えて保管することでした。

蒸発を利用する

これは私のお気に入りの冷却方法です。液体が十分なエネルギーを得て気体になった時に起こります。水であれば水蒸気に変化します。この相転移にはエネルギーが必要なので、残った水のエネルギーは低下し、温度も下がります。

汗をかいた時の体の反応はまさにこれです。皮膚から水分が分泌され、その水分が蒸発することで体温が下がります。素晴らしいですね。汗をかくのは嫌ですよね？ええ、湿度が高いと汗をかきます。汗は皮膚から蒸発しますが、空気中の水蒸気も皮膚に付着します。つまり、シャツは濡れているということです。

蒸発冷却は他の物体にも応用できます。実際、土鍋クーラーと呼ばれる古代の食品保存器具があります。基本的には、土鍋に食品を入れ、その土鍋を砂と水の層を挟んだ別の土鍋の中に入れるというものです。水が蒸発すると、内側の土鍋が冷やされます。もちろん、この方法は水分を蒸発させることができる乾燥した地域でのみ有効です。

扇風機はどうでしょうか？暑い日に扇風機の前に座ると、確かに涼しくて気持ちがいいです。しかし、ほとんどの場合、扇風機は実際には温度を下げるわけではなく、空気を循環させるだけです。そのため、皮膚からの蒸発率は上がります。しかし、汗をかいていない場合、あまり効果はありません。

ファンが汗をかかない物体に効果を発揮する場合もあります。コンピューターのファンは、高温のCPU上の空気の流れを増加させます。これにより、空気と高温のプロセッサ間の熱接触が増加し、プロセッサの温度が室温に近づくようになります。ただし、プロセッサの温度が周囲の空気よりも低くなることはありません。

圧縮と展開

さて、もっと現代的な冷却方法をいくつかご紹介しましょう。ご自宅や車のエアコンはどうでしょうか？冷蔵庫はどうでしょうか？どちらもほぼ同じ仕組みで、物を温めることで冷やすことができます。そうです、まず温めることで冷やすことができるのです。

実演してみましょうか？輪ゴムを手に取ってみましょう。太めの輪ゴムがベストです。そして、素早く伸ばし、伸ばしたまま上唇（温度に敏感です）に当てます。輪ゴムが温かくなるのを感じるはずです。そして、伸ばしたまま冷まします。室温に戻ったら、輪ゴムを元の長さに戻します。もう一度唇に当てると、冷たくなるのを感じるでしょう。

簡単に言うと、これは小さなエアコンです。輪ゴムを伸ばすとエネルギーが加わり、熱エネルギーが増加します。しかし、熱くなった輪ゴムは周囲の空気と相互作用します。なぜなら、空気はより冷たいからです。最終的に、両者の温度は平衡状態に達します。そして、輪ゴムを緩めると、輪ゴムはエネルギーの低い状態に戻り、熱エネルギーが減少します。

エアコンは輪ゴムを使っていません。（ゴムバンドを使っても効果はありますが、効率が悪いでしょう。）代わりに、冷媒（R-134Aが一般的です）が家の外から家の中へと閉回路を循環します。圧縮すると熱くなるだけでなく（ゴムバンドのように伸びるのではなく）、気体から液体へと相変化します。つまり、圧縮して熱くすることができるのです。そして、周囲の温度まで冷やされます（この部分は屋外で行われると思います）。そして、それを家の中に持ち込んで膨張させ、周囲を冷やすのです。これがエアコンの仕組みです。

冷蔵庫のドアを開けても部屋を冷やせない理由がこれでお分かりいただけたでしょう。確かに冷蔵庫の中は冷えていますが、それは冷蔵庫の背面に熱​​くなるものが入っているからです。さらに、電線やモーターも熱を増幅させています。つまり、ドアを開けたままにしておくと、部屋の温度が上昇してしまうのです。

奇妙なメタルをやる

これは今でも驚きです。ペルチェ素子と呼ばれるもので、基本的には2種類の金属を接合しただけのものです。この2つの金属の界面に電流を流すと、片側は熱くなり、もう片側は冷たくなります。効果は非常に小さいので、目に見える効果を得るには、このような接合部を多数設置する必要がありますが、実際に存在します。

待ってください。この装置はさらにすごいんです。ペルチェ素子に電流を流す代わりに、片側を熱く、もう片側を冷たくすると、電気を発生させることができます。まさにこれが熱電発電機で起こる現象です。可動部品がないので、ちょっと変わっています。効率はそれほど良くありませんが、既に熱いもの（放射性物質など）と冷たいもの（宇宙の真空など）があれば、フリーエネルギーが得られるように見えます。だからこそ、宇宙船では熱電発電機が役立つのです。

他にも冷却方法はいくつかあります。レーザーとドップラー効果を利用して原子のエネルギーを減少させる方法があります。また、磁気冷却もあります。これは基本的にエアコンに似ていますが、冷媒の代わりに磁場で何かが温まるという点が異なります。

話を元に戻しましょう。何を学んだでしょうか？ 物事を熱くするのはとても簡単です。なぜなら、いずれにせよそうなる可能性が高いからです。物事を冷やすには、基本的に何かを熱くし、何かを冷たくする必要があります。ここが複雑になるところです。しかし、温度は距離とは違うことを覚えておいてください。一方（温度上昇）に行く方が、もう一方（温度低下）に行くよりも簡単です。これは、温度があなたが思っているよりも奇妙なものだからです。

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