絶対零度(Absolute zero)
絶対零度とは、絶対
温度の最も低い状態を指し、その
温度は
0 Kに相当します。この
温度では、
理想気体の
エントロピーと
エンタルピーが最小の値に達します。具体的には、セルシウス
温度で−273.15°C、ファーレンハイト
温度で−459.67°Fに相当します。理論的には絶対零度は最低
温度とされますが、
エンタルピーはまだゼロにはならないことが特徴的です。また、
統計力学では
0 K未満の負
温度という現象の存在も確認されています。
概要
温度を決定する要因は、
物質内の熱振動に基づいており、そこには明確な下限があります。それが絶対零度であり、この状態では原子の振動が最小限になり、エネルギーが極限まで低下しています。
古典力学の観点からは、エネルギーが最低に達する状態は、原子の振動が完全に停止している状態と解釈されます。
しかし、量子力学の立場から見ると、
不確定性原理のために原子の振動は完全には止まることはなく、最低エネルギー状態でも微細な零点振動が存在します。また、熱力学の第三法則によれば、
温度が
0 Kを上回る
物質を有限の操作で絶対零度にすることは不可能です。本当に至極低温に達すると、
温度が高い場合には見られない特異な現象も観察され、これらは
低温物理学という専門分野で研究されています。
理想気体に関する理論によれば、
0 Kに達するとガスの圧力や体積はゼロに近づきますが、これはあくまでも理想的な状態に基づいています。
歴史
絶対零度の概念は、ギヨーム・アモントンの研究から始まりました。彼は
温度計の実験において気体の
温度と圧力の関係を探求し、
温度を低下させていくうちに圧力がゼロになる
温度が存在することに気づきました。彼は、その
温度をおおよそ−24
0°Cと推定しました。これが
温度に下限があることへの第一歩でした。
その後、
ジャック・シャルルや
ジョセフ・ルイ・ゲイ=リュサックがさらなる研究を行い、
シャルルの法則を発見する中で、絶対零度は−273°Cであることが明らかになりました。1935年、木下正雄と大石二郎の二人は、気体
温度計を用いてより正確な測定を行い、絶対零度が−273.15°Cから−273.16°Cの範囲にあることを発表しました。さらに1938年には、等温線法という新たな手法が開発され、同様の測定結果が得られました。
1954年、第4回国際度量衡委員会において、等温線法の確立した利点を基に、−273.15°Cが絶対零度として公式に採用されました。これは、水の
三重点の値(273.16 K)を元にしたもので、水の
三重点は摂氏
0.
01°Cに相当し、この計算により絶対零度が確定されました。
参考文献
- - K.メンデルスゾーン/大島恵一訳、『絶対零度への挑戦』(1971年)、講談社(ブルーバックス)
関連項目