2017-07

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≪ ネット講座:mathematicaと物理 ALL -100K その2 ≫

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絶対温度-100ケルビン その1

温度についての記事を書くために自分の頭の中を色々と整理していてふと思い出した。

負の温度ってのあってだね....。

それは熱力学の授業中の教授の一言だった。退屈な授業にうとうとしかけていた私の興味心をくすぐるような話ではないか。やってくれるわい。他の生徒もこの話に食いついたのが直ぐにわかった。教授は続けた

いや、まあこの話は止めておこう。


しかし教授も話したくてウズウズしているのだろう、話は少し続いた。


負の温度まで考えると温度の定義はTではなくβ≡1/Tを使うべきだったんだよな。でも歴史的な流れだから仕方ない。

「いや、わからんよ、ちゃんと説明してくれ。」そう心の中で呟いていた。熱力学の授業では学生は皆静であまり積極的ではなかった。教授はわき道へそれたというように「いや、この話はまた機会があるときにしよう」と言って授業の流れにもどった。あの時ちゃんと説明してください、気になります!となぜ言わなかったのだろう。面白い話をみすみす逃してしまうとは。

あれから20年近く経ってしまった。負の温度? 氷点より低いとマイナス何度っていうよな!? と思った読者もいるだろう。しかしそうではない、ケルビン温度で計った温度でも負の温度というものが存在するのだ、少なくとも理論的には。(つまり-273度よりも低い温度)そうでなければ私が面白い話題として紹介するまでもないだろう。

温度は物質の振動の具合を表していて、絶対温度0ケルビンとは全ての物質が振動できずに静止した死の世界。量子力学までいけばゼロ点振動は許されるが、それでも絶対温度0ケルビンというのは全ての粒子が最低エネルギー状態に落ち込んだ状態、死の世界。 これが通常の絶対温度0ケルビンのイメージであり、それは殆どの場合正しい。しかしケルビン温度で測っても負の温度というものは存在できる。なんかSFのネタになりそうな話であるが、これは私が作った怪しい理論とかそういう類のものではなく昔から良く知られたことである。通常の熱力学の本には載ってないかも知っている人は知っているトリビアの泉なのだ。

面白そうではないか。だから少し勉強をしてこれを記事にしてみようと思う。熱力学ではこういう特殊な系は考察から除外されているのだが、特殊だからこそ面白いという面もある。また熱力学は微視的理論を仮定しないために、こういう突飛な話を扱う時にはなにか心もとない気がする。つまりいろんな仮定を導入して負の温度を議論してみたところで現実味がわかない。ここは統計力学の出番である。次回から負の温度について統計力学の立場から調べてゆく。統計力学の知識が多少必要なのだがそんなに難しい話ではない。楽しみにしていて欲しい。

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