絶対零度

質問

知り合いから「絶対零度に限りなく近い温度までの状態は作れるが、実際に絶対零度の状態は作り出せない（だせていない？）」ということを聞いたことがあるのですが、本当でしょうか？

回答No.3

albrac · ベストアンサー

ARCさんやUmadaさんの回答を指示します。
やはり、物質が持つエネルギーが０という事はありえません。

高校時代の教科書をもう一度ひもといて下さい。
とても解かりやすいです。
理想気体、つまり、気体の体積と温度が比例する仮想の気体が存在したとします。
温度が０ケルビンになった場合、気体の体積は消滅・・・０になってしまいます。
しかし、実際には、気体は原子を元に構成されていますから、０ケルビンに到達したとしても、物質が存在するわけですから、理論上矛盾が生じます。

ですから、実際に０ケルビンは存在しないわけです。

蛇足ですが、宇宙空間でも、一見真空の様ですが、宇宙全体としては、空間に恒星やガス等の物質が存在します。したがって、宇宙空間にも温度が存在して、それが黒体放射として2.7Kの温度が存在しています。

回答No.12

albrac

様々な下記に方々、私の回答の仕方の不備をご指摘いただき、勉強になりましたした。有難うございます。

挨拶もそこそこに・・・・
たしかに、色々な「絶対０度」の答えに皆でアプローチをしているのですが・・・
この掲示板、沢山の人が見てるんですよね。もちろん質問者の方も含めて・・・
絶対０度の概念が、もっとも分かり易く（限界はありますが）説明できる方、いないんでしょうか？
既に勉強した方々だけでなく、これからこの分野志す方にも、とっつき易いアプローチで正確な回答、誰か出きる方、居られませんか？

回答No.11

jun1038

三たびすみません。PokaＱさん許して下さい。現在のこの「掲示板」は自分にとってすごく勉強になっているので。

○真空でも電磁波が飛び交っているので、真空ただちに絶対０度というわけではないのでは（参考ＵＲＬ）。私が「宇宙に　対象物と測定器（ただしブラックホール化した）の２つのみ」と考えたのはその理由からです。もちろん例のビッグバンのバックグラウンド放射も除きます。

○そもそも絶対零度とは、どのような定義なのでしたっけ。私は単純に「物体の熱運動が止まる温度」と理解していたので、間違えてしまったようです。どなたか分かりやすく説明いただけると助かります。

参考URL：

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=14638

回答No.10

oioioi

横やりな質問で申し訳有りませんが、ちょっと気になったもので・・・
・宇宙は基本的には真空ということは、宇宙空間は絶対零度でよろしいのでしょうか？太陽等の熱を除けてですが。

・現在、実際に確認できている温度の下限は何度なのでしょうか？－２７２．９９９９９度ぐらいですか？

回答No.9

furu007

siegmundさん、ご指摘の通り零点振動がありましたね。物質の振動がゼロと言うのは間違いです。
不確定原理に違反すると言うのは、すなわち絶対零度の計測が不可能だと言う事では無いでしょうか？

jun1038さんのブラックホールに置かれた計測器、、、と言うモデルですが
絶対零度の物質からの輻射熱が零とすると、それを正確に測定（上述の不確定原理の話を無視して）
しようとすると、その物質は絶対零度の雰囲気中に置かなくてはいけないのでは？
周囲の雰囲気が絶対零度よりも高温であれば、その物質も絶対零度であり得なくなってしまうと思います。

ちなみにブラックホールの中は、時間も含むすべての物理量が混沌としていると考えられ
その内部に計測器を置いても、計測器自体が機能するかは分かりません。
時空間が歪んでいるので、計測と言う行為に意味があるのかも疑問です。

回答No.8

jun1038

たびたびすみません。また、PokaＱさん、PokaＱさんの質問をお借りして？勝手なことを書き込んでいてすみません。許して下さい。

　siegmund様。いつもお世話になっています。ご教示ありがとうございます。

　極論ですが、宇宙に、絶対０度の物体と、その温度を熱放射で測定する装置のみがあり、その装置がブラックホールの領域内にあったらどうなるのでしょうか。
　ブラックホールは特殊な空間だから考えることは意味をなさないかも知れませんが。呆れずに教えて頂ければ幸いです。

　とりあえず、では。

回答No.7

siegmund

○ Umada さんの言われるとおり，Nernst の定理(Nernst-Planck の定理とも言われる)で，
有限回の熱力学的操作では絶対零度には到達できないことが示されています．

○ エネルギーは原点の選び方に任意性がありますから，
エネルギーで議論するのはあまりよい議論ではありません．
Nernst の定理の議論ではエントロピーが使われます．

○ 理想気体の pV=nRT はどんな温度にも適用できるわけではありません．
相互作用の全くない粒子系から出発して
量子統計力学的に理想気体の状態方程式を導く過程で，
「高温近似」をおこなっています．
したがって，理想気体の方程式を用いて絶対零度の到達可能性を論じることは
正確な議論にはなりません．
このことは，現実の物質が温度を下げると液体や固体になることとは別の話です．
こちらは，分子間の相互作用に起因します．
結論的には jun1038 さんのご指摘と同じことですが，
その理由は異なることにご注意下さい．

○ 絶対零度で物質の振動が全くなくなってしまうことはありません．
静止してしまう(場所確定，運動量がゼロに確定)と，
量子力学の不確定性原理に違反します．
実際，簡単なモデルで絶対零度でも分子振動などがあることを示すことができて，
その振動は零点振動と呼ばれています．

○ furu007 さんの言われるように，何か測定しようとすれば必ず対象物質の状態を
乱すことになります．
jun1038 さんの熱放射を測定する方法(Stefan-Boltzmann 則の応用)は
確かに非接触型の測定ですが，
対象物を乱さないことにはなりません．
測定器も熱放射をしていますので，
対象物から放射を受けようとすれば測定器の熱放射も対象物に到達し，
対象物の状態を乱すことになります．

回答No.6

Umada

jun1038さんに同感です。私自身は浅学の身ながらあれこれ申し上げる失礼をご容赦下さい。

ARCさんのご回答の中の、絶対零度で物質がなくなる、というのは確かに俄には受容れ難い結論です。エネルギーがゼロになると物質がなくなる、というのはどうしてでしょうか(単に私の勉強不足でしたらすみません)。もちろん実際には絶対0度は実現できないので誰も確かめた人はいない訳でして、ひょっとすると本当に物質が消滅してしまうのかも知れませんが・・・

またalbracさんのご回答の中で「0 [K]では体積がなくなってしまう、ゆえに矛盾が生じる」とありますが、jun1038さんもご指摘のようにこれには疑問が残ります。理想気体の状態方程式から体積がなくなることを導かれていますが、この状態方程式は十分に希薄な気体に対してのみ適用できることを見落としておいでかと思います。
従って体積に関し矛盾が生じたとしても「理想気体の近似は、絶対0度近傍には適用できない」ということが背理法的に言えるだけです。そのことを以て絶対0度に到達しないことの証明にはならないと考えるのです。いかがでしょうか。
絶対0度近辺ではおそらくはほとんどの物質は固体になるのでしょうけれど、仮にその温度でも気体のままであるような仮想の物質を考えても議論は同じだと思います。

熱力学第三法則について少し探してみました。とりあえず以下のページが参考になるかと思います。
http://www.geocities.co.jp/Technopolis-Mars/3422/mat32.htm

回答No.5

jun1038

こんばんは。

　すみません。回答というより、回答者の皆さんへの補足要求のようになってしまうと思います。失礼なものの言い方になってしまうかも知れませんが、どうぞよろしくお願いします。

　私も、有限回の熱力学的過程では、限りなく絶対０度に近づくだけで、絶対０度にはならないとは思います。が、

○温度というのは、分子や原子の熱運動のエネルギーなのでは。絶対０度になったら熱運動が停止するのみで、物質そのものが無くなるわけではないのではないでしょうか。

○理想気体では、確かに絶対０度での体積は、０（なし）とされますが、現実の気体としては、途中で気体から液体へそして固体へと相転移が起こり、実際には「熱運動の停止した」固体になるのでは。現実にはあり得ない「理想」気体の体積が絶対０度で「なし」になるからといって、絶対０度が存在しない、というのは論の進め方としてはまずいのではないでしょうか。

○絶対０度より温度の高い物体（すなわち全部の物体）は、その温度に対応した電磁波（たいてい赤外線）を熱放射しています。(こんなことは実際には無理ですが)ある物体からの熱放射が０なら、絶対０度と認定されるのではないでしょうか。
（現実には、その物体の回りの物体が絶対０度でないと、それらからの熱放射によりすぐに対象の物体の温度は上がるでしょう。測定器からの熱放射も同様です。）
　私が言いたいのは、物体に温度計を差し込む、といった方法以外に、物体からの熱放射を測定するという、原理的には物体の熱的状態を乱さない温度の測定方法があるのではないか、ということです。

　いろいろ生意気なことを書いてしまって大変申し訳ありません。皆さまのご批判とご教示をお願いします。

では。

回答No.4

furu007

絶対零度が作り得ないのは、すべての原子の振動をも無くしてしまわないと
実現できないというのは下のお答えでわかります。

そして、もし仮にそう言う条件を作り得る技術が出来たとしても、
そのエネルギーがゼロと言う状態を計測するには、測定するための、
なんらかのエネルギーの介在が必要となります。
「温度を測定」すると言う事が、その「場」を乱す事になります。
そうなると、絶対零度なる状態を計る方法は無く、検証のしようがありません。

すごく幼稚な例えですが、冷たい氷の温度を計ろうとして、温度計を
差し込んでも、温度計が暖かかったので、氷は溶けてしまった、、、って
具合です。氷が溶けてしまった後では、氷の温度は計れませんよね？
いわゆる不確定原理ですね。

回答No.2

Umada

本当です。(少なくとも現代の科学ではそう考えられています)
熱力学の第三法則(Nernstの熱定理)で「有限回の(熱力学的)過程では絶対温度零度に到達しない」ということが主張されています。

私もこれ以上は詳しく知りませんので、「熱力学」「第三法則」などのキーワードでいろいろ調べられるとよいと思います。

不完全な答えですみません。