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熱の物理

熱の概念
熱とは何か。熱はエネルギーの或る状態と解釈するだろう。それはどんなエネルギーか。日常の環境評価では温度と言う指標で熱の多さを捉えると言ってよかろう。例えば気体では、気体の熱エネルギー量を温度・気温として捉える。気体の熱エネルギーとは、物理学では気体分子運動エネルギー(気体分子運動論)として認識・解釈していると思う。この気体分子運動論が曲者に思える。その訳はエネルギーが質量に関係なくそれ自身で空間に実在しているものだから。光はエネルギーの伝播現象であり、質量はその光のエネルギーを論じるに必要ない筈だ。光が質量の運動エネルギーとは考えないだろう。その光の空間に実在するエネルギー像を物理学で認識していない処に問題の根源がある。

物理学理論(気体分子運動論)を斬る それでは、その気体分子運動エネルギーとはどのようなものを考えているのだろうか。気体にエネルギーが加えられると気体分子がエネルギーを吸収することになる筈だが、おそらく気体分子質量の速度の増加としてエネルギーを吸収すると物理学理論では解釈しているのだろう。何故気体分子が速度の増加を来たす事になるのか。気体を加熱したからと言って、分子の速度が上がる理由が見えない。調理用の圧力釜がある。加熱すれば、圧力釜内の水が蒸発し気体となる。加熱に因り圧力が上昇し水分子の圧力上昇としてボイルの法則の通り圧力エネルギーとして加熱エネルギーが蓄えられる。何も水分子が運動などする必要もない。蒸気機関でのピストンの仕事は水分子の運動エネルギーなど無関係で、水蒸気の圧力がその役割を果たしているだけである。水蒸気の圧力とは水分子が加熱によって体積膨張しようと内部圧力に変換されるから圧力上昇するのである。それが単純なボイルの法則による解釈である。水分子の運動速度など無関係だ。物理学理論でエネルギーと言うと、質量の運動エネルギーと位置エネルギーしか対象にしていないのではないかと誤解しそうになる。圧力エネルギーと言う概念が余り考えられていないようだ。ボイル・シャルルの法則も気体分子運動論としてボルツマン定数に因る解釈に終結している。圧力も膨張でなく分子運動速度に因る衝突力として捉えるようだ。気体の体積、水蒸気分子の体積膨張と言う現象は考慮されていないように思う。気体の発光現象も、気体に加えられたエネルギーが分子や原子に貯蔵され、その貯蔵限界を超えたエネルギーが放出されることと解釈できよう。原子の外殻電子の運動エネルギーが増減する解釈は意味がなく、間違っている。そもそも電子が回転していると考える必要など無い。電荷など無い筈だから。エネルギーと圧力の関係で一つ取り上げておきたい。海底1万メートルの水は静止状態でも途轍もない高圧に在る。その水圧も水の空間に蓄えられたエネルギーの筈である。さて、水圧だけではなく、海底の地殻深くになれば更に圧力が増していると考えられよう。その空間のエネルギーは特別の意味を持ち、日常生活での物理現象として関わることも無い異次元の世界の話であるが、圧力エネルギーであることには変わりがない。ただ、その圧力エネルギーと言う解釈が地球の中心核まで続くと解釈すべきかどうかを判断するべき根拠は不明だ。何も地殻が運動エネルギーの空間貯蔵帯とは考え難いという事からも、気体も同じように気体分子の運動エネルギーとして解釈すべきと言う論理性が見えないということである。当然気体の圧力分布に因り気体は流れて風を引き起すが、それは気体分子運動論でのエネルギーとは異なろう。温度の解釈には風は余り関係なかろう。

熱エネルギー 熱が物に蓄えられる時、物の質量の運動エネルギーの増加となるのではない。物の結晶格子等の空間に貯蔵されるエネルギーそのものの増加が熱の増加と言うことである。熱エネルギーは電気エネルギーや光エネルギーと同じく、空間に実在するエネルギーなのである。質量構造体の内部空間に貯蔵されて温度が高くなるのである。温度が高いということは、計測温度計にその物体から放射されるエネルギーが多いということであり、温度計に入射する熱エネルギーが多い準位で、温度計の出入りのエネルギーが平衡するのである。熱も電気も光もみんな同じエネルギーなのである。それは空間を占め、そこに独立した実在の空間エネルギー密度なのである。基本的に、熱とは光であれ電気であれ物に蓄えられたそのエネルギー量によって周辺空間に放射、伝導するエネルギー量が影響され、その量を計量する人の感覚や温度測定器の表示量として捉えるエネルギーの評価なのである。物のエネルギー量とその物の入射と放射のエネルギー平衡特性が比熱などの評価係数となっているのだろう。物の原子・分子の結合構造(勿論エネルギー還流のマグネット結合構造)でそれらの係数も決まると観て良かろう。

質量とエネルギー等価則

熱エネルギーとは 今常温でMo[kg]の鉄の塊がある。その鉄を加熱した。高温の鉄の塊からは熱と光が放射される。その熱い鉄の塊の重量を計ることを考えると仮定する。鉄の質量は計りに掛けると、加熱によって加えたエネルギー分だけ等価的に質量が増加する筈と考える。それが『質量・エネルギー等価則」の意味である。エネルギーは質量に等価である。しかしここまでエネルギーを実在物理量と捉える考え方は現代物理学の中に受け入れられるかどうかは分からない。高温の鉄の塊から熱放射・光放射が続く。その放射エネルギーは鉄の持つ熱エネルギーと等価な質量の一部をエネルギーとして放射するのである。『エネルギー』も質量と同じく物理的実在量なのである。と言っても、鉄の重量を計って、熱エネルギーに相当する質量・重量の増加した結果が観測など出来ることは無理であろう。熱エネルギーの増加分をほぼ光速度の2乗で除した分など計測に掛る筈はないだろうから。実験的に検証する科学的論証は無理であろう。それでも、原理的に熱エネルギーが質量と等価であるという意味は熱く加熱されたエネルギー分だけ質量が増加しているということである。同じ様に電気コイルに貯蔵される電磁エネルギーが有れば、そのコイル内に溜ったエネルギー分の質量換算量だけ質量が増加したコイルとなる。一般的な現代物理学理論で、エネルギーが質量とは無関係に実在するという認識がどの程度理解され、受け入れられるかははなはだ心許ない。化学理論でも同じく、原子構造で電子が外殻を周回運動しているとの捉え方をしている限りは受け入れ難い考え方であろうと思う。

 

非力学的エネルギー(エネルギー論)

エネルギーの実在性 世界を構成する根源要素は何か?それを論じる学問は物理学の中でも、素粒子論の分野であろう。素粒子と言う用語感覚から、それは粒子的な意味の物を連想する。『質量』を基本的に含意したものに思える。それは力学的エネルギーに関係した、何か運動エネルギーを伴う現象で捉えられるように思える。『質量』に基づく運動力学論の対象として捉えられるものであろう。そこで不思議に思うのである。光は『質量』を持たないと考えられるから、素粒子論の対象には成らないのかと?即ち光は素粒子ではないと定義しているのか。光は世界を構成する根源的『エネルギー』である。『質量』を論理構成の基礎に据えた場合のエネルギー論は、そのエネルギーを力学的エネルギーと言って良いように思える。それに対して、もう一つの分類に入る『エネルギー』が非力学的エネルギーと分けて捉えて良かろう。世界の構成要素の根源はその非力学的エネルギーに託されているように考える。

エネルギーとは何か その『エネルギー』とは何かと多くの疑問と質問があるようだ。それは子供達に教育する側が、子供達が納得するだけの『エネルギー』の意味を噛み砕いて教えるだけの理解に達していないからではなかろうか。高等学校物理の解説で、『物が仕事をする能力』と定義らしい説明をしている。この『物』とはどのような物を指すのか。最近は余り『人』は仕事をすると言っても機械化されて肉体的重労働は無い。だから『物』は人ではない『質量』を持った『物』の意味であろう。ロケット打ち上げ時の燃料燃焼現象での『噴射反発力?』などか。実際、『エネルギー』について人によってその概念をどのように捉えているかを推し量るのさえ簡単ではない。とても曖昧なように思える。『エネルギー』は身の周りから、あらゆる自然世界に満ち溢れている。そのエネルギーを人は認識しているのだろうかと疑問に思う。何か理科教育での教育する側の『エネルギー』の認識に大きな原因が潜んでいるように思われてならない。

非力学的エネルギー こんな用語は使われてはいないだろう。だから検索に掛けても力学的エネルギーの解説しか出て来ない。非力学的と言う用語に込めた意味は文字の通り、運動力学の『質量』と『力』の関係に基づく方程式から求められる『エネルギー』即ち運動エネルギーと位置エネルギーの和とは異なる別の『エネルギー』を念頭に置いて考える為の用語である。代表的な例を挙げれば、光や電磁エネルギーあるいは津波エネルギーがその対象となろう。えェ!「津波エネルギー」が力学的でないと言うのか?と驚くだろう。それでは海洋を伝播する「津波エネルギー」をどのように運動方程式で表現しますか?海の海水と言う『質量』が運動する訳ではないでしょう。津波エネルギーの本質は確かに力学的なエネルギーなのであるが、物理学の教育的な内容として認識されていないのではなかろうか。この「津波エネルギー」をまとめに考察対象として取り上げたい。光や電磁エネルギーは明らかに力学的でないとすぐに理解できよう。『質量』の運動でない現象の例をエネルギーの速度に挙げた。兎に角非力学的エネルギーの意味がどんな意味かは力学的エネルギーの意味を明確にしておく必要があろう。それは、質量スカラーm[kg]、加速度ベクトルα[m/s^2^]そして力ベクトルf[N]の間に成り立つ運動方程式

f=mα

によって記述される『エネルギー』の解釈対象のものと言えよう。

物が仕事をする能力 『エネルギー』とは何か?の問いに対する解説として挙げられている。この記事を書きながら正しくこのように定義する物理教育の『エネルギー』に対する認識に問題があると気付いた。我々が生活するこの地球上の大気圧についてである。空気の気体に因って生命活動の基盤環境が整えられているのが大気圧である。1気圧の空間1㎥の保有する『エネルギー』は約101キロジュール程である。この1気圧の大気圧の意味を仕事をする能力とは考えないと思うが如何ですか?一応その空気も物ではある。しかし、その物が仕事と結び付くと考えるには深く哲学的な思考を要するように思う。地上の生命を育み守る仕事と言う意味で有ればそれは空気の仕事と考えても良かろう。物理学教育でこの大気の『エネルギー』を認識しない限りは「津波のエネルギー」の認識には届かないであろう。またこの空気も地球の自転運動から考えれば、地球とほぼ一緒に運動しているから運動エネルギーを持ってはいると見做されよう。人の日常生活に対してこの自転や公転に因る運動エネルギーは確かに仕事をする能力には入れて解釈することはないだろうが。

力学から非力学的エネルギーを観る 水力学の圧力水頭も力学的な概念である。海底1万メートルの空間保有エネルギーも力学的な意味の概念である。身の回りの空気の1気圧も水柱高さ10.33mの重さと釣り合う気圧にある。人の体もその気圧に因って押し潰されることなく、それと平衡して生命活動を営んでいる。物理学の力学と言うと、どうしてもある塊状の質量を対象にした運動論に限定した解釈に囚われているように思われる。何か余りにも世界認識の狭さが気掛かりなエネルギー論に思えて、それで良いのだろうかと疑問が膨らむ。空間エネルギーの一つの存在形態の評価基準『気体温度』も気体分子の質量の運動エネルギーで解釈する気体分子運動論が現代物理学の科学常識理論になっている。温度の解釈に気体分子運動論は感覚的に受け入れ難い。すべて力学的な『エネルギー』は質量に付帯し、その質量と共に移動する量と認識しているように思える。水圧のエネルギーは具体例で「津波」の伝播現象に現れる。水圧も水力学での力学的エネルギーでありながら、質量の運動エネルギーではない。『津波』も水と言う質量が速度を持つ訳ではないから運動力学の運動エネルギーではない。『津波』は水の持つ圧力エネルギーが水媒体空間を伝播する現象である。運動方程式に乗らない水力学のエネルギーである。『エネルギー』が独立した物理的実在なのである。非力学的エネルギーとは、質量の移動を伴わない光や電磁エネルギーあるいは熱エネルギーなどを指す。体温も非力学的エネルギーである熱エネルギーの評価量である。そこに、空間媒体の質量に関わりながら、その質量の運動や移動に伴う『運動エネルギー』や『位置エネルギー』とは異なる『エネルギー』を非力学的エネルギーに分類した。しかしその津波の『エネルギー』は本来は『力学的エネルギー』に分類されるべきものであるが、理科教育での重要な『エネルギー』として認識すべきと言う意味で、『非力学的エネルギー』として取り上げた。

 

圧力水頭「理科基礎(仮称)」の題材として

理科教育の事など余り考えなかったのだが、先般の日本学術会議の提言を読んで、日本の科学技術との関係での「理科教育」の未来が全く見えない事態にあると考えざるを得ないと思う様になった。余りにも学理。学術と言う権威に支配された実態が日本の教育制度の硬直性を曝していると言わざるを得ない。責任は文部科学省の官僚的支配にある。教育は基本的に「自由」を建前にすべきである。政府支配と専門家的権威支配は教育を荒廃させる。制度ばかり小手先の変更をして朝令暮改の繰り返しに過ぎない。現場に負担を掛ける縛りが文科省の仕事のように見える。中味はもっと現実的な内容にすべきである。理論・法則などを覚るだけでは役には立たない。役に立たないような内容の教育しかしていないからだ。そこで、今回は「圧力水頭」と言う水力技術の問題を取上げて見たい。理科教育は科学技術教育に切り替えるべきだとの意味も含めて。能力不足の者が言うことじゃあまり役に立てないかとも思うが、考える題材として取り上げたい。「水」は地球の生命であれば、その様々な現象は学習するには余りあると思う。原子力発電所の再稼働で心配な日本ではあるが、水力発電所はもう過去の忘れ去られたエネルギー源になってしまった。その水力発電所の科学技術としての水の力学とエネルギーを眺めて見ようと思う。津波の意味を知るには圧力水頭の意味を知ることが重要だから。

フランシス水車の水力発電所

水力発電所の圧力水頭発電所の圧力水頭 貯水ダムの水のエネルギーを利用する発電所。水の水力学はベルヌーイの定理で理解している。結局は水のエネルギー保存の理解の問題である。ただ、圧力水頭と言う概念は運動エネルギーでも位置エネルギーでもないもう一つのエネルギーである事を理解しておくべきだろう。ファイルにしたものを載せる。

運動エネルギー流体の質量

エネルギーと水頭エネルギーと水頭 流体には3つのエネルギーがある。位置のエネルギー、運動エネルギーそして圧力エネルギーである。圧力エネルギーは総水頭から位置エネルギーと運動エネルギーを除いた残りのエネルギーになる。

圧力水頭圧力水頭 現代物理学の分野に気体分子運動論がある。気体の圧力と熱エネルギーの関係の基礎理論である。気体と液体の圧力で、基本的にどのような違いがあるのだろうか?余り物理学理論では、圧力エネルギーの実在性を認識していないのではないか。静止水圧については道草問答(7)水圧と水頭に述べた。この圧力水頭が波 「理科基礎(仮称)」の題材としての葛飾北斎の波の理解に欠かせない意味である。なお水車についてはフランシス水車-水力ドットコム-によく説明されている。