熱物理学

物質の構造と分子運動論

物質は絶えず運動する微視的粒子からなり、絶対温度は気体分子の平均並進運動エネルギーと関係します。

分子運動論では気体をランダムに運動する多数の分子として扱います。容器壁との衝突が圧力を生み、絶対温度は平均並進運動エネルギーを表します。

圧力と温度

モデルでは圧力は数密度と平均運動エネルギーに関係します。体積一定で絶対温度を上げると、分子は速く動き、衝突が強くなり圧力が上がります。

クイックチェック

分子運動論は微視的な運動と巨視的な量を結びつけます。希薄気体では分子がランダムに運動し、短い衝突の間に比較的長く自由飛行します。容器壁との衝突で運動量が移り、圧力が生じます。絶対温度の上昇は平均並進運動エネルギーの増加を意味し、すべての分子が同じ速さになるという意味ではありません。同じ温度では、軽い分子の典型的な速さは重い分子より大きくなります。理想気体モデルは分子の大きさと長距離引力を無視するため、低密度・中程度の圧力で、凝縮に近くない場合に適します。固体や液体にも粒子構造があり、粒子は定位置の周りで振動したり近接したりします。この描像は熱膨張や拡散を定性的に説明します。これは統計モデルであり、膨大な粒子の平均を予測します。

容器壁との弾性衝突では、分子の壁に垂直な運動量成分が変化し、壁は反対向きの力積を受けます。単位面積・単位時間あたりの多数の衝突が圧力を生みます。圧力は分子が壁を連続的に押すことで生じるのではなく、膨大な微視的衝突から現れます。