絶対零度がよくわかりません

質問

絶対零度のことがよくわかりません。
「なぜ0K(-273.15℃)より低温にならないのか？これは熱気球のように、温度が高くなると膨張して体積が増え、逆に冷やすと体積が減ることに由来する。1℃下がるごとに、0℃時のおよそ273分の1ずつ小さくなっていくので、-273℃では体積がゼロとなる計算だ」
という風に書いてあったんですが、なぜ-273℃では体積がゼロになるんでしょうか？
どういう風な計算をしたのでしょうか？
解説お願いします。

回答No.2

okormazd · ベストアンサー

PV=nRT
の式に従う仮想的な気体を理想気体というのです。したがって、理想気体は液化したり、固体になったりはしません。質問の説明は間違ってはいません。
「どういう風な計算をしたのでしょうか？」
次の計算です。
0℃のときの気体の体積をV0とします。-１℃になれば、0℃のときの気体の体積の1/273だけ小さくなるから、
V0-(1/273)V0=(272/273)V0
になります。
-２℃になれば、また０℃の時の体積の1/273だけ小さくなるから、
V0-(1/273)V0-(1/273)V0=V0-(2/273)V0=(271/273)V0
になります。
以下、同様にに計算していけば、
-270℃で
(3/273)V0
-271℃で
(2/273)V0
-272℃で
(1/273)V0
-273℃で
(0/273)V0=0
になりますよね。

温度を0℃よりあげる場合も同様な計算ができます。
だったら、理想気体の体積変化で温度を知ることができますね。理想気体を使った温度計です。
この温度計で測ると、-273℃で0になる。もうそれ以下の温度はない。これが絶対0゜です。
ところで、それは理想気体を使った温度計だから、それ以下は測れないのであって、別の温度計を工夫すれば測れるのではないかと思いますか。
温度は簡単に言えば分子や原子の熱運動のエネルギーの程度を表すもので、理想気体で測った温度が0というのは、分子や原子の熱運動(振動や回転)のエネルギーの程度が0(振動や回転が止まってしまう、だから理想気体の体積も0になる。理想気体の分子の体積は0です。)ということを表しています。熱運動のエネルギーが負になることはないので、したがってそれ以下の温度はないということです。

お礼

わざわざ計算式を書いていただいてありがとうございます
わかりやすかったです

回答No.4

c80s3xxx

まず温度ってのはじつはよく考えるとなんだかわかってないものだという自覚をもつこと．
子どもの時から温度は扱うけど，それが何を意味しているかはじつは簡単ではない．
気体に関していえば，温度とは分子の運動エネルギーを表すもの．運動エネルギー0の状態がつまり 0 K．ただし，ここでいう気体は，仮想的な理想気体．理想気体というのは粒子間に相互作用のない質点でできている．
気体の体積というのは，理想気体の場合，運動している空間という意味だが，運動していない，かつ，自身の体積もない，すなわち体積0ということになる．
ほんとはこれに圧力のしばりを入れないといけない．体積 0 は圧力有限というしばりから出てくるので．圧力も 0 であれば別に体積が 0 である必要はない．もっとも，動いていなくて自身の体積も持たない粒子の集団の体積をどう定義するのか，ってことを考えると，有限の圧力，体積を考えて，極限を取るしかないのだが．

回答No.3

hg3

ご質問の説明は、あくまでも絶対零度の概念を分かりやすく説明したものです。

気体は、温度が高くなると膨張して体積が増え、逆に冷やすと体積が減るので、温度をずっと低くしていくと、いつか体積が０になる。０より小さい体積というのはあり得ないので、体積が０になる温度より低い温度というのもあり得ないことになり、低温には限界の温度つまり絶対零度というものがあるはずと考えられます。
では、その絶対零度は一体どのくらいの温度なのかを考えてみると、気体の温度を1℃下げるごとに、体積が0℃時のおよそ273分の1ずつ小さくなっていくので、計算上、およそ-273℃で体積がゼロとなる。（どうやって計算するかはNo2の回答の通り。）よって、この-273℃が絶対零度の温度だと求めることができます。

ところが、実際は、No１の回答にある通り、どんな気体であれ、温度を下げればいずれ液体や固体となるので、気体の体積減少の理屈だけで絶対零度を求めることはできません。そもそも、本当に低温の限界の温度（絶対零度）があるかどうかすら怪しいことなります。（気体の体積が０になるからそれ以上の低温がないという理屈なので。）

別のいろいろな方法で、絶対零度が何℃なのかを調べた結果、絶対零度（0K）は、-273.15℃であることが分かりました。

結果として、実際の絶対零度が、気体の体積減少の理屈から求められる温度と近いので、気体の体積減少の理屈で、絶対零度を説明すると分かりやすいということです。

お礼

奥が深いですね・・

回答No.1

noname#212313

おかしな説明ですね。間違いといって差し支えないと思います。気体であれば、確かに理想気体の状態方程式、

　PV=nRT
（P：圧力、V＝体積、n：モル数、R：リュードベリ定数、T：温度）

から、体積V＝nRT/Pで絶対零度、つまりT＝0ならV＝0となり、体積は数式では0になります。

　しかし、どんな気体であれ、温度を下げれば液体となります（さらに固体にもなる）。気体が液体になっても体積はありますし、液体を冷やして、さらに固体となっても体積はほとんど減りません。

　理想気体の状態方程式は融点（凝固点）以下の温度については使えないのです。気体用の公式ですから、液体、固体に使えないのは当たり前ですね。

　絶対零度では、温度の元となる分子や原子の振動が完全に停止する状態になっています、といった説明であるべきです。温度の適用範囲を外れた公式で説明すべきではありません。

お礼

難しいですね
ありがとうございましいた