　温度に速度はありますか。

Question

今人気No.１の質問、
　“「時間」は、一様に流れているか？”
　を見て、興味を持ちました。

　温度（熱）には速度があるんでしょうか。

　温度が伝わる速度なんてありそうですよね。

　でもその速度は「一定」ではないようですし。

　研究されているんでしょうか。

　よろしくお願いいたします。

cyototu · Accepted Answer

＞　粒子同士が結びついて固体を形成し、その粒子同士が自由に動けるようになった状態が液体。その変化は、熱を吸収して温度が高くなったから。

はい、そうです。
　
＞この場合、一つの物質を構成する粒子が増えたということでしょうか。温度が高くなるほど、粒子は増えると。

いいえ、違います。

粒子の数は増えません。温度が高くなる程、粒子の運動エネルギーが増えると言うことです。エネルギーとは勢いのことです。エネルギーという言葉は、物理学では珍しく日本語に訳されておらず、そのままカタカナで書かれているのでの、人によっては意味が判らない方もいるかもしれませんね。前の説明でも繰り返し説明した、運動エネルギーが増えるとは、粒子の運動の勢いが強くなると言うことです。

今様の人はカタカナで書くと判りが良いと誤解している方も一杯いるようですが、実は漢字に直した方が普通の人には余程判りが良いのです。エネルギーと言わず、例えば勢量とか何とか訳しておけば、エネルギーが増えることを粒子の数が増えると間違える人はいなかったはずです。事実、中国ではエネルギーに対応する訳語の一部に勢という字を使っているそうです。昔の学者達は普通の人達にも判るように、努力して漢字に訳していたのですが、今の学者達はやたらにカタカナを使って専門家面をひけらかし、素人を煙に巻いているようですね。私の文章を呼んで頂くと判ると思いますが、私は専門家でない方々を煙に巻かないように、特別にそう書いた方が良い場合を除いて、出来るだけカタカナは使わないように心がけています。ところがエネルギーはそれに対応した日本語を誰も作ってくれなかったので、止む終えず、そのカタカナ語を使っています。

＞また、「温度」は「物」に「保存」された状態だが、「熱」は「移動」する状態の事なんだろうか。

温度は各粒子に分配された１つ当たりの運動エネルギーすなわち運動の勢いの強さのことですから、物質の中で増えたり減ったりする。そしてそのエネルギーを全部の粒子で足した物を熱というので、熱も増えたり減ったりする。場所によって増えたり減ったりすると言うことは、その勢いが物質の中で移動したと言うことですから、その勢いは熱でも温度でも両方とも物質の中でで移動できます。

多分質問者さんは「保存」という言葉を、物質の中に保持されたという意味に使っているようですが、物理学では、「保存する」とは増えたり減ったりしないで一定であると言う特別な意味で使うことになっています。ですから、物理学の意味では、温度も熱も増えたり減ったりできるので、温度も熱も一般には保存しないというのが、正しい表現です。

littlekiss · Answer

おはようございます、yy8yy8azさん。おひまなら… 「ホメオスタシス」とは・・・そして新たな概念 http://profile.allabout.co.jp/ask/column_detail.php/14636 <<前のコラムへ次のコラムへ>> ↑↓ の≪次のコラム≫を順次クリック ↑↓ クリック、クリック、ひたすらクリック―――――どこまでおすねん？！ ↓↑ 『陰陽五行学説入門』 http://www2s.biglobe.ne.jp/~xianxue/dictionary/yinyang.htm ↓↑ <<前のコラムへ≫ ↓↑ 【QNo.246325　酒の功罪について】 http://oshiete1.goo.ne.jp/qa246325.html ↓↑ 【明日の田園都市】 http://www.genpaku.org/gardencity/gardencityj.html

psytex · Answer

熱の伝達には、輻射、伝導、対流の３つの形があり、
輻射は光速、伝導は音速以下（分子振動の運動量伝達）、
対流は風速です。

o_tooru · Answer

おはようございます、疑問はつきませんね。

さてご質問の件ですが、物事を比べるのには、「単位」が重要になってきます。理学部数学科出身の同僚に「１＋１＝２はどうして？」と質問した所、「1個＋1時間は　2個にも、2時間にもならない、単位をそろえないと、比べようがない」といわれました。

ちょっと　私の答えも的外れですが・・・お正月ということで　お許しください。

cyototu · Answer

＃６です。
またまた誤植です。お恥ずかしい。どうもお屠蘇の酔いが回って、まともに文章が書けないようです。

はじめの方の文章、

いいえ。個体の場合　＝＞　固体の場合

と読んで下さい。他に誤植があったら、適当に訂正して読んでおいて下さい。

cyototu · Answer

＃６に誤植がありました。

下の方、

＃６の９節目　＝＞　＃５の９節目

として読んで下さい。

cyototu · Answer

＞（１）、、、その物質から飛び出したり、また入り込んだりするエネルギー(分子？）があって、そのエネルギーが「温度？熱？」というわけですね。

いいえ。個体の場合、分子や原子などの粒子同士を結び付けている力があります。その力によって、粒子同士が一番安定して存在できる粒子距離が決まっています。ところが、実際には各粒子はその距離にきちっと収まっているわけではなく、その安定した距離の前後に揺らいで動き回っているのです。この揺らぎを雑音とも言います。その揺らぎの方向も大きさもデタラメです。そしてこの揺らぎはない状態のことを絶対零度と言います。（実は、量子力学によると、絶対零度でも取り除けない運動が残るのですが、そんな細かいことは温度の定義に余り重要ではないので、ここでは無視して話します。）そしてこの揺らぎが大きい程、温度が高くなります。ところが、揺らぎが大きすぎると、遂に粒子同士を結び付けている力に打ち勝って、粒子は安定点の周りに留まることができなくなってしまい、そこから飛び出して、その物体内を自由に動き回りはじめます。その状態のことを「液体」と言います。ですから、質問者さんの言うような、飛び出したり、入り込んだりする状況は、温度ではなく、温度が高くなり過ぎて固体から液体へとか、その反対の温度が低くなり過ぎて、液体から固体へと変化する状況で起こることです。大雑把に言って、温度とは、このような状況の変化（専門用語では、相の変化、あるいは相転移）が起こっていないときの、すなわち、粒子が飛び出したり、飛び込んだりしていないときの、粒子の安定点の周りの揺らぎの運動、即ち、雑音がもっている粒子１個当たりの運動エネルギーのことです。

液体になると各粒子は最早自分の安定点の周りに拘束されることなく動き回っていますが、全体としてはまだ固まりとなって存在しています。ところが、温度をもっと高くして行くと、すなわち、外部の熱源に接させて各粒子の運動エネルギーをどんどん大きくして行くと、遂には各粒子は一塊に留まっていられなくなって、その固まりの表面から、外側の空間に飛び出して行きます。その状態のことを「蒸発する」と言います。そして、蒸発した粒子は互いに拘束されることなくデタラメな方向に自由に空間を飛び回り、時々、互いに衝突して、またデタラメな方向に向きを変えながら飛び回ることを繰り返します。この状況、即ち、相のことを「気体」と言います。だから、物質は温度が低いと固体になり、だんだん温度を上げて行く、即ち、各粒子に対するデタラメな運動成分に運動エネルギーを与えて行くと、先ず液体になり、さらに高い温度にすると気体に相転移して行きます。

気体は真空中をデタラメな方向に幾らでも大きな運動エネルギーを持って動き回ることが出来ますから、温度には上限がありません。ただし、温度を高くして行くと固体、液体、気体の順に変化してしまいますので、固体には温度の上限があり、液体にも温度の上限があります。そしてその上限は、物質の種類によっても違いますし、与えられた圧力によっても違った値を持っています。

以上のことから、温度とは、その物質から飛び出したり、また入り込んだりするエネルギーのことではなく、やはり、デタラメな揺らぎの運動、即ち雑音の持っている運動エネルギーのことです。ですから、「余分」ではなく、「デタラメ」がキーワードなのです。

実は、この「デタラメ」という概念は、この宇宙や我々の存在を理解する上で、「永遠」とか「絶対」とか「相対」とかに匹敵する、途轍もなく重要な概念なのです。デタラメをもっと学術的に表現すると、「確率的」と言います。そして、確率的の反対語が「決定論的」です。物理学は、この宇宙を理解し、出来れば我々生命を含めた存在を理解したいと言う学問です。そこで当然問題になるのは、この宇宙で起こっている森羅万象が、実は、前もってそのシナリオが完全に与えられた「決定論的な宇宙」なのか、それとも、次に何が起こるかはまだ決定されていず、偶然、すなわちデタラメや遭遇が本質的な役割を演じる「確率論な宇宙」なのか、という問題です。この問題は、ニュートンの法則の発見いらい、物理学者の間でずっと深刻に論じられてきた問題です。そのことに関して有名なのは、例えばニュートンとライプニッツ（及びその後継者）の間の論争があります。また、「ラプラスの悪魔」と言うのも有名です。そしてこのデタラメの役割を定量的に分析する学問が、物理学では熱力学とか統計力学という学問です。

（注）決定論的か、非決定論的かという問題を論じる時に、しばしば量子力学のハイゼンベルグの不確定性関係式を持ち出す方がおられます。しかし、この関係式は、量子力学の基本方程式である「演算子」に関する「決定論的」な方程式から、演繹的に導き出された関係式ですから、この関係式があるから、この宇宙が決定論的でないと言うのは誤りです。不確定性原理は、決定論的な運動方程式の中で、物理量は単なる数ではなくて、演算子てあることを主張しているに過ぎません。決定論的か非決定論的かの本質は、量子力学にも古典力学にも共通した熱や温度に関わった概念であり、量子力学特有の概念ではありません。

以上のこと分かるように、温度とは何ですかという質問は、トコトン押し進めて行くと、我々の未来はもう既に決定論的に決まってしまっているのか、それとも、いろいろな偶然が役割を演じることによって、全く新しい展開が可能な、したがって、まだ未来が決定されていない宇宙に住んでいるのかどちらなのかという問題に絡んだ、とても面白い質問なのですよ。

＞　空間を移動する熱球の速度は、熱が空間に移動する速度とは関係ないように思いました。単に熱が移動する「位置」が変わるだけではないかと。

熱の移動速度とは、「熱が移動する『位置』が単位時間当たりに変わる大きさ」のことです。

（注）単位時間とは、例えば１秒間とか、１時間とか、貴方が都合が良いように決める時間のことです。例えば、１秒間に１０m進む場合の速度とは、秒速１０m（すなわち単位時間を１秒として）ですが、時速では３６Km（すなわち単位時間を１時間として）です。

ですから、熱球が移動すれば熱も移動しますので、熱の移動速度はちゃんと存在します。しかし、熱の移動の仕方には、こんな単純な移動ばかりではなく、もっと複雑は仕方もあります。その例の一つは既に、私の回答＃６の９節目で紹介してあります。その他に、対流によっても熱は移動できます。対流の場合は、熱球ほどはっきりした輪郭を持っているわけではないがそれとなく一塊になって熱が移動して行くという意味で、熱球と＃６の９節目で紹介した方法の中間の仕方で熱が移動しているわけです。このように、どの場合でも熱はある場所から別な場所に時間と共に移動したのですから、それに付随した熱の移動速度が存在しています。勿論、対流の場合にも皆それぞれ違った速度がありますから、熱の移動速度には光のように一定になると言う法則はありません。

cyototu · Answer

温度とは何かを理解するとこの話は簡単です。もの凄く簡単に言ってしまうと、温度とは、その物質を構成している分子や原子の持っている運動エネルギーの中で、特にデタラメな運動に割り当てられたエネルギーのことです。そのデタラメさの移動の仕方は、状況によりいろいろですから、温度の伝わる速度もいろいろになり、光のように一定な速度で伝わるわけではありません。そのことに関して、少し詳しく説明します。

熱とは、とか、温度とはを物質を構成している粒子の運動に結び付けて厳密に考えると、いろいろなうるさい話があり、特に温度一定の熱平衡状態と呼ばれる状態から離れている場合の温度とは何かに付いては、未だに物理学者の間で論争がある問題です。しかし、ここではそんな難しい話（だから、とっても楽しく興奮してしまう話）は抜きにして、一般の方が日常のレベルで使うには十分な、したがって少々荒っぽい説明を試みてみます。

先ず、１つの物質の固まりを想像してみて下さい。地球のような巨大な物質でも、芥子粒でも構いません。その物体は１の後に０が２０個以上付いた数より遥かに多い数の分子や原子から出来ています。そしてその小さな粒子はいろいろな方向に振動したりして、動き回っています。したがって、その物体は運動エネルギーを持っています。そこで、その物体の全体の運動に割り当てられたエネルギーから、全体としての平均的な運動（例えば重心の運動）のエネルギーを引き去ったものを、熱エネルギーと言います。したがって、熱エネルギーとは、全体の規則的な運動から見たズレを表す、デタラメな方向の運動に割り当てられた運動エネルギーのことです。

人類の今までの経験で分かったことは、このデタラメな部分に割り当てられたエネルギーが大きい程、我々はその物質を熱いと感じ、したがって温度が高いと感じるという事実です。

ところが、物質の重さや大きさが２倍になれば、このデタラメな運動の運動エネルギーの量も２倍になりますが、デタラメの大きさが２倍になったわけでは在りませんね。したがって、熱エネルギーだけでは、このデタラメさを表していない。そこでデタラメな度合いを計るために、その物体の全体の熱エネルギーをその重さや、場合によっては体積で割ったもの（もっと正確にはその物体を構成している粒子の数で割ったもの）を「温度」と定義してみると、確かに今までの経験則がうまく表現できることが判って来たのです。要するに、デタラメさ（それを雑音ということもあります）が小さくて静かな程、温度は低いのです。反対にデタラメさが大きく、したがって雑音が大きい程、温度が高いのです。

ですから、物理学者にとっては温度とは、物質を構成している各粒子一つ当たりが持っている、このデタラメな運動に付随した運動エネルギーのことを指します。そのことから、デタラメな運動が完全に無くなってしまう状況が考えられ、温度には下限があることが分かるようになりました。その下限の温度のことを絶対零度と言います。

以上のことから、熱が移動するとは、このデタラメの度合いがある部分から他の部分に移動して、したがってそのデタラメな度合いに付随した運動エネルギーが移動することを表した言葉です。

さあ、いよいよ温度の速度に関する例を考えてみましょう。熱くした鉄の玉を放り投げて下さい。そこでのデタラメな熱運動は空間を伝わって、ある空間から他の空間にデタラメさを移動させていますね。ですから、例えばそれを真空中で放り投げた場合には、その鉄の玉の移動速度がそのまま温度の伝わる速度です。投げ方は勝手ですから、デララメさの移動速度は光とは違って、状況に応じていろいろな速度を持つことが可能なのは明らかでしょう。

勿論、このデタラメさの移動方法にはもっと複雑な物も在ります。例えば水などある液体の中のある一部だけを強く熱すると、その部分の分子のデタラメな運動エネルギーが増えます。そしてその分子は隣の分子にぶつかって、そのデタラメさを隣の分子に伝えます。それを次々に繰り返して行くと、そのデタラメさは熱源から外側に、ある平均的な速度て伝わって行くはずです。でもその速度は、各分子の質量（重さ）や密度や分子の形などでいろいろ違ってくるはずです。この場合の速度を実際に計算するのは、上の例の鉄の玉よりも遥かに大変ですが、孰れにしても、温度の伝わる速度が、状況によっていろいろと違う値を取ることは、お分かりになったと思います。




以下は蛇足ですが、温度に関連して現代物理が未だに論争をしている、とっても楽しく興奮してしまう話に、ほんのちょっとだけ触れておきます。新春無駄話だと思って読んで下さい。

上で説明したのことから、熱とか温度とは、物理学におけるデタラメさとは何かを問い掛けた時に現れる量のことです。ところで我々の経験によると、外部から何も操作をしないのにデタラメなものが自発的に秩序立ってくることはありませんね。と言うことは、どうやら我々の宇宙には時間には向きが在って、放っておくと秩序が壊れてデタラメな方向に向かって行くように時間は流れているらしい。放っておかれた状況ではその反対のことが自発的に起こるようには時間は流れていないらしいという経験則があるらしい。そこで、これを経験則として「熱力学第２法則」という形で、物理学者は表現するようになりました。熱力学第１法則はエネルギー保存の法則です。すなわち、熱力学第２法則は、この宇宙の最も基本的な存在形態は動的な概念としての「変化」であり、第１法則で主張しているような単なる、永遠不変を基軸にしただけでは捉えることができないらしいと言うことを主張しているのです。

ところが、アインシュタインの相対性理論は時間と空間をセットにして時空の静的な幾何学で理解しようとしている。したがって、相対性理論のなかには、過去から未来へだけ向かう「時間」という概念が存在していない。普通、時間は一定に流れるかという時には、物理学を勉強したほとんどの人達は、この静的な概念としての「時間」に付いて語ろうとしております。しかし、時間には、変化に付随した動的側面があり、相対性理論でいう時間と、熱力学でいう時間は、同じ言葉を使っていても、どうやら違った物を指している可能性があると物理学者達は気付きはじめました。その違いの本質が、どうやら「デタラメ」だとか「カオス」だとか、「エントロピー」だとかに関わった問題でありそうだと考えているのです。そこで、相対性理論でいう「特別な向きのない時間」と、熱力学でいう「一方方向にだけ流れる時間」とはどのような関係にあるのだと言う問題が起って来たのです。

我々は、デタラメと言うとつい、最も構造のない状態と思いがちですが、生物はデタラメさのない絶対温度では存在できません。この地球上で高度な構造の典型的な例である生命が自発的に現れてくるためには、常温と呼ばれる地球の平均温度辺りの温度が必要でした。このように状況が整うと（正確には熱的に非平衡状態でのある種の状況が整うと）、デタラメさは、自発的に構造を造り出すことに関して大変重要な役割を演じていることが判ります。物理学者は、そのようにデタラメさを契機にして出て来る構造のことを「散逸構造」と呼んでいます。そして、この構造の現れ方に遅い速いがある。そのような視点から、改めて「時間」とは何か、そして、生物を代表とする複雑な構造を理解する上でも「時間は一様に流れている」という表現が、どれだけ機能的かつ生産的に意味をなす言葉であるのかも、反省されつつあります。さらに、生物の問題ばかりでなく、発展し変化を続けている宇宙に関しても、相対性理論的静的「時間」ばかりでなく、熱力学的動的「時間」の概念が、重要な役割を演じている可能性があるわけです。

時間の問題はアインシュタインによって完成されたわけではなく、これからもアインシュタイン級の物理学者の出現が待望されるような、知的に開かれた状況に我々は生きているのです。したがって、今の若者達やこれから生まれてくる若者達は、過去の偉い人達のやったことを勉強して頭に詰め込むだけの退屈な世界に生きているのではなく、また、偉い人達にやり残された重箱の隅をつっつくような仕事だけが取り残されているような世界に生きているわけでもなく、場合によってはアインシュタインに教えてあげることも可能な、新しい創造的な営みに参加できる素敵な世界に生きているのです。

TEOS · Answer

物質により異なりますし、個体、液体、気体でも熱の伝わり方は異なります。
先にも熱伝導率という言葉が出てますね。

気体の場合は、予想外の現象が起きます。「風」判りやすい事例だと爆風ですね！（熱エネルギー）！
爆弾の炸裂、火山の噴火では、恐ろしいスピードで熱エネルギーが風に乗り、辺りを焼け焦がします。
原爆を落とされた直後の写真、　噴火後の火砕流の映像を見た事が無いでしょうか？

そんなヒントでも、検索してみてください。　違う答えが出てきますから。

oosaka_girl · Answer

速度とは、一般的には位置とかの微分として定義されるものです。
ですから、温度の微分値が「温度の速度」に該当します。
温度の場合はそれを速度と呼ばず上昇率と呼ぶ場合が普通です。
他の方の回答は、熱の移動の話であって温度の話とは別です。
速度に代表されるようなある量の時間的な変化を考えるには、
その量を微分すればよいのです。
位置→微分する→速度→さらに微分する→加速度
と言う関係を理解しましょう。

温度に速度はありますか。

＞ 粒子同士が結びついて固体を形成し、その粒子同士が自由に動けるようになった状態が液体。

おはようございます、yy8yy8azさん。

熱の伝達には、輻射、伝導、対流の３つの形があり、

おはようございます、疑問はつきませんね。

＃６です。

＃６に誤植がありました。

この回答への補足

＞（１）、、、その物質から飛び出したり、また入り込んだりするエネルギー(分子？）があって、そのエネルギーが「温度？熱？」というわけですね。

この回答への補足

温度とは何かを理解するとこの話は簡単です。

この回答への補足

物質により異なりますし、個体、液体、気体でも熱の伝わり方は異なります。

この回答への補足

速度とは、一般的には位置とかの微分として定義されるものです。

この回答への補足

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