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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。

 

アボガドロ定数とは何か

気体を考え、「風とは何か」と考える時また、古い疑問にぶつかり進めなくなる。何度この「アボガドロ定数」に関する疑問を取り上げようかと思ったか。1811年にアボガドロが提唱した「仮説」であるようだ。分子論の基礎定数で、誰もが異論を差し挟めない程、権威ある「化学論」の基本中の基本である。気体分子運動論や温度の論理的基礎定数である。

「mol と体積」 化学論の基礎概念は「分子」である。しかも1mol と言う量的概念なしには取り組めない程の複雑な専門用語としての特徴に裏付けられている。その体積は、1モル分子が占める体積が、 22.4 [l] である。MKS系単位に慣れている者にとっては、それがとても取り付き難い代物であることには変わりがない。22.4 リットルと言う体積が、何故基本量の基準体積として選ばれたのかが全く理解できない。古代的、業界専門用語としか言いようがない。基準体積なら、 1 [m^3] で取り扱えば、理解し易い筈だ。アボガドロ定数Na=6.02×10^23 [個]の数量が最初(1811年)からの定数値であったかも気掛かりだ。分子1モルの分子の数量を表して、 その数量分の分子の質量が「分子量」だと言う事を定義している。例えば、酸素分子O2のアボガドロ数分の分子の分子量が32 g である。その酸素分子一つの質量は32 g をアボガドロ数で割れば、得られる。だから、5.31×10^-23 g が酸素分子の質量となる。酸素原子はその半分と看做される。

本当に「アボガドロ定数」の概念は正しいか こんな事を言い出すと、とても相手にされないだろう。しかし、疑問を放置して、『風』の話も進められない。風は空気の流れであり、そこには多くの分子が混在し、その温度と分子との関係で決まる。教科書の論理は「分子運動論」で温度が決まるが如き解釈である。その論理の基に成る、気体定数やボルツマン定数等に「アボガドロ定数」が欠かせない。気体分子には様々な物がある。アボガドロ定数と分子量揮発性のベンゼンなどが本当にアボガドロ数の概念で捉えられるだろうかと疑わざるを得ない。そこで、幾つかの気掛かりな分子を拾い上げてみた。ヘリュウムや、ネオンは不活性ガスと言われ、気体での分子は原子のままと思われる。酸素は代表例の分子であろう。窒素は挙げてないが、空気中の78%程を占めるらしい。特別の気体として、「水蒸気」の水を挙げなければならない。水は空気の環境温度でとてもその変化が際立っている。温度に対する「湿度」として捉えている。 『温度とは何か』が問うもの で少し述べたが、分子が運動する速度エネルギーで、温度を捉える解釈は無意味な論である。水蒸気の加熱特性を考えた時、分子運動ではなく、水蒸気分子の圧力と空間占有体積の積に加熱エネルギーが貯蔵されると解釈する。ナフタリンなどの芳香族高分子を採り上げるまでも無く、水蒸気を考えただけで、アボガドロ定数が示す概念が気体分子論に正しい解釈を提示しているとは信じられない。