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絶対温度、絶対零度について

絶対零度はどんな物質でも同じ-273℃というところに納得できなくて質問しました。 物質が違うと絶対零度は変わってもいいのではと思うのですが、上記である理由を教えていただけると幸いです。詳しい方からのアドバイスをお願いします。

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みんなの回答

  • 回答No.7
  • 1o1325
  • ベストアンサー率88% (8/9)

◆回答 「物質が違っても絶対零度は同じでなければならない」のは「温度が違う二つの物体を互いに触れさせて放っておくと、その二つの物体の温度はいずれは同じになる」からです。 ◆説明 もしも、冷やせる限界の温度が物質によって違うのであれば、以下に示すように、「温度が違う二つの物体を互いに触れさせて放っておくと、その二つの物体の温度はいずれは同じになる」という経験則に矛盾します。 絶対零度が-273℃の物質Aからなる-272℃の物体Xと、絶対零度が-271℃の物質Bからなる-270℃の物体Yがあったとします。この二つの物体間で熱が行き来するけど、これらの物体から外に熱が逃げられないような条件下で、これらの物体の温度がどう変化するかを考えてみましょう。 もし-272℃の物体Xを-271℃に温めるのに必要な熱量が、物体Yを-270℃から-271℃に冷やすのに物体Yから奪わなければならない熱量に等しいか小さければ、この二つの物体を互いに触れさせて放っておくとどちらの物体も-271℃かそれ以上の同じ温度になります。ここに矛盾はありません。しかし、もし-272℃の物体Xを-271℃に温めるのに必要な熱量が、物体Yを-270℃から-271℃に冷やすのに物体Yから奪わなければならない熱量よりも大きかったなら、この二つの物体を互いに触れさせて放っておいても、物体Xが-271℃にまで温まることはありませんから、「二つの物体の温度はいずれは同じになる」という経験則に矛盾します。 物体の熱容量(物体を1℃温めるのに必要な熱量)は、物体が非常識に大きかったり小さかったりしない限りは、物体の質量に比例します。ですので、絶対零度が-273℃の物質Aの量を十分多くして、絶対零度が-271℃の物質Bの量を十分少なくしておけば、-272℃の物体Xを-271℃に温めるのに必要な熱量を物体Yを-270℃から-271℃に冷やすのに物体Yから奪わなければならない熱量よりも大きくすることが可能です。これと上で考えたことを合わせると、「二つの物体の温度はいずれは同じになる」という経験則を破ることが可能となります。 「温度が違う二つの物体を互いに触れさせて放っておくと、その二つの物体の温度はいずれは同じになる」という法則は、あくまでも経験則ですので、この法則が破られることがあっても別にかまわないのですけど、有史以来、この法則の破れは観測されたことがありません。ちょっと見ると破れているように見える場合があるかもしれませんけど、その場合は、熱が外から与えられているか、外に逃げ出しているか、待ち時間がまだ足りないか、物体が非常識に大きいか、あるいは非常識に小さいか、のどれかだと考えられています。 ◆細かい話 もし-271℃と-270℃の間のある温度で物質Bが相転移を起こすなら、その温度で物質Bの熱容量が無限大になることがあります。ですけど相転移や相分離や化学反応があったとしても、物体Yの質量が有限であれば、物体Yを-270℃から-271℃に冷やすのに物体Yから奪わなければならない熱量には上限があります。 もし熱容量が負だったらどうなるか?物体が非常識に大きいときにはどうなるか?は非常に興味深い話ですが、これは化学というよりも物理学や天文学の話になりますので、そちらのカテゴリーで質問された方がよいでしょう。 物体が非常識に小さいときにはどうなるか?の答えは簡単で、「物体が非常識に小さいときには温度は定義できません」という答えになります。しばしば「温度とは物質の原子の熱振動の大きさのこと」と説明されることが多いのですけど、もう少しだけ正確に言えば「温度とは物質の原子の熱振動の“分布”の大きさのこと」だからです。 ちなみに絶対零度でも原子が動かなくなる、とは限りません。1気圧のヘリウムは絶対零度でも固化しません。液体のままです。液体のままですから、絶対零度1気圧のヘリウム原子は動けます。 物質(電気を通すもの)を1°冷やすと1/273度抵抗が減るという実験データは、ありません。電気抵抗の温度係数は物質により異なります。#2さんはシャルルの法則と混同されているように思われます。また、絶対零度にまで冷やしても超電導にならない金属は、金や銀や銅のように、ふつうにあります。

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  • 回答No.6
noname#224207
noname#224207

補足を頂戴しました。 >原子の振動が完全に止まると実際のこの地球上でどんなことが起こりうるのでしょうか? 何がおきますかね~、化学のカテですから、化学の世界で考えてみましょう。 化学反応というのは一つ一つの分子が衝突して初めて生じる現象だということをヒントとしてみましょう。 原子の振動が止まれば分子も動かなくなります。 生物が生きている、つまり生命活動は化学反応の連鎖ですから、全ての生物が固まったまま動かなくなるでしょう。 腐敗も発酵も生化学反応ですから、ものが腐ることもお酒ができることもなくなるでしょう。 錆も酸化反応ですから、錆ることもなくなるでしょう。 原子炉は核融合反応ですから、この反応が停止して原発が止まるでしょう。 自動車や発電機などの内燃機関も化学反応ですから、あらゆるエンジンが停止するでしょう。 ただし、太陽がある限りは常にエネルギーが補給され続けますから実際上は地上だけを絶対零度に近づけることはできないでしょう。 宇宙空間が絶対零度にならないのはこのためです。(熱力学第三の法則)

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質問者からのお礼

ありがとうございました。コメント拝見しまして頭の中で想像できるような気がしました。直接目で見ることが不可能な世界のようなのであらためて難しさを感じました。科学(化学)って本当に難しいんですね。

  • 回答No.5

超電導・・・ 物質というものは電気を通すものでも必ず電気抵抗があります。 比較的電気を通しやすく、電線に使われている銅でさえ、発電所から家庭に 送るにはかなりの損失があります。 この電線を冷やし、-273°まで下げれば電気抵抗が0になり、損失することなく 家庭に送ることができます。 まぁ、その場合は冷やす経費がかかって余計コストがかかるので実現はできないですが。

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質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。電線を冷やすと分子運動をしないまたは鈍くから電子、電流?が通りやすくなると言うことなのでしょうか?

  • 回答No.4
  • hg3
  • ベストアンサー率42% (382/896)

絶対零度について勘違いされているようですので、そこを説明します。 絶対零度というのは、ある物質が凍る(固体になる)温度といような考え方をしていませんか? そうだとすれば、物質が凍る温度は、物質によって違いますから、「物質が違うと絶対零度は変わる」という考え方が出てくるのも頷けますが、絶対零度とは、そういう意味ではありません。これ以上低い温度が無いということです。 そもそも、温度とは物質の原子の熱振動の大きさのことです。あらゆる物質の中の原子は振動していて、その振動が大きいほど温度が高いということです。よって温度が下がれば振動が小さくなっていき、ついには振動が完全に停止することになります。その温度が-273.15℃=0Kというわけです。No3やNo1の回答にある「物質が動かなくなる」というのはこの熱振動が止まる言う意味です。 これをどうやって確かめたかは、No3の回答にあるようですから、割愛します。 ただし、以上の説明は、古典力学的な考え方で、量子力学の理論では、原子の振動が止まることはなく、エネルギーが最低の状態でも振動をしています。

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質問者からのお礼

ありがとうございます。ご回答の内容についてですが理解できたような気がします。あらためて教えていただけますとありがたいのですが振動が完全停止すると原子ってどうなるのでしょうか?

  • 回答No.3
noname#224207
noname#224207

絶対零度というのはあくまでも理論上考え出された値です。 一方でこの温度に到達することはできないという法則も考えられています。(熱力学第三の法則) この値を正確に推定するために四苦八苦していました 現在使われている推定値は日本人の研究者によるのと言われています。 参考 <絶対零度=-273.15度>への挑戦 | 東工大TOPICS | 東工大について ... www.titech.ac.jp/about/stories/absolute_zero.html この温度になるとどの物質も動かなくなると考えられています。 動かなくなる温度ではなく、この温度では動けなくなると考えても差し支えはありません。 つまり物質がなんであれ、動けなくなってしまう温度ということになります。 物質の違いというのは原子の数というか組み合わせの違いだけですから、この原子が動けなくる温度と考えても差し支えはありません。 ドンドン物質の性質の違いから離れて理論が組み立てられています。 個々の物質の性質とは離れた共通の特性と考えて下さい。 理論による推定値ですから本当か?という問題が起きてきます。 現在も盛んに研究されています。 動いているはずだという理論もあります。 それ以下の温度にすることもできるのではないのか、とも研究されています。 参考 マックス・プランク研究所ら、絶対零度より低温の気体を実証。熱効率100 ... sustainablejapan.net/?p=3407 現在公認されているというよりもこのような研究結果がある、ということになっています。 物理ではなく化学のカテでのご質問ですが、化学の世界では反応が起きないつまり完全平衡な状態になる温度と考えられています。 一度これ等の理論に挑戦してみて下さい。

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質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。後ほど補足にコメントをさせていただきます。

質問者からの補足

ありがとうございました。原子の振動が完全に止まると実際のこの地球上でどんなことが起こりうるのでしょうか?変な質問で申し訳ありません。実体験ができない内容ゆえに教えていただければ幸いです。

  • 回答No.2

物質(電気を通すもの)を1°冷やすと1/273度抵抗が減るという実験データが有ります。 よって、-273°まで冷やすと超電導になるといわれる所以です。 実際、-273度に冷やすと超電導が起きます。 導電の電気抵抗が0なのでロスなく電気を送ることができますが、 -273°を作るには至難の業でして、もう少し高い温度で超電導ができないかと 世界中で実験した結果、もっと高い温度で超電導する物質もできています。 超電導は、例えばコンピュータです。 CPUの中は回路だらけ。少し冷やしてやると電気抵抗が減り、速く計算ができます。

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質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。後ほど補足にコメントをさせていただきます。

質問者からの補足

教科書を見ますと超電導と記載がありますが難しすぎて・・・申し訳ありません。でもご回答いただけましたことに改めて感謝申し上げます。

  • 回答No.1

現存するありとあらゆる物質の原子が動かなくなる温度が 273℃だからです それより低い温度でも動く分子があれば、絶対温度が変わります

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質問者からのお礼

早速のご回答ありがとうございます。 『現存するありとあらゆる物質の原子が動かなくなる温度が 273℃だからです』 という箇所は実験をして得られたデータになるのでしょうか?ひねくれていてすいません。ただ気になりまして書き込みしました。

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