絶対温度への道〈前編〉【第46号】

「温度」という不可思議なものに取り組んだ物理学者たちの苦悩
金谷一朗(いち) 2021.10.22
読者限定

【140字まとめ】ガリレオ・ガリレイが発明した温度計には,現在のような目盛りがついていませんでした.今週は人類が「絶対温度」という目盛りを手に入れるまでの取り組み,ニュートンからファーレンハイト,セルシウスまでをお話します.ついでにアルキメデスの大発見も.

いちです,おはようございます.

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お陰様で前回のニュースレター「複雑さの中の秩序〈後編〉」は大きな反響を頂きました.その中で,読者の方から水には「相転移」があるから,気象の予測の難しさは単なるプレイヤーの数の違いではないかというご指摘をいただきました.「相転移」というのは液体が蒸発して気体になったり,また凍って個体になったりすることの総称です.

天体の運行を予測する場合,例えば太陽,地球,月という系を考える場合は,急に新しい惑星が登場するなんてことは考えません.しかし,気象を考える場合は海面から水が蒸発するとか,上空で水蒸気が冷えて固まって落下してしまうという「相転移」があるため,大変に難しいわけですね.ご指摘ありがとうございました.

さて,今週は「温度」にまつわる物語をお届けします.東京オリンピック開催時の高気温もどこへやらという感じで,すっかり冷え込んで参りましたので,皆様も「気温」には敏感になられているところではないでしょうか.

ガリレオの温度計

歴史上,初めて気温を数字で表そうとしたのはガリレオ・ガリレイだと考えられています.ガリレオは確かに温度計を試作しているのですが,現在市販されている「ガリレオ温度計」とは異なったものでした.

そうは言っても,市販されているガリレオ温度計の原理はガリレオが発見したものですし,ガリレオ温度計の考案もガリレオの弟子たちがしたものですから,ガリレオ温度計と呼ぶのは誇大広告とまでは言えないでしょう.

市販されているガリレオ温度計はこんなものです.

なかなかお洒落ですね.ガラス瓶に閉じ込められた小さな壺が気温によって上下します.どの壺が浮き上がっていて,どの壺が沈んでいるかを読むと,おおよその気温を知ることが出来ます.

ガリレオ温度計は,気温が高くなると液体が少し膨らむという現象を利用しています.液体が少し膨らむということは,逆に考えると1リットルあたりの重さが少し減るということです.

例えば,真水は20度のときに1リットルあたり998グラムの重さを持ちますが,30度のときには1リットルあたり996グラムの重さになります.これは水が蒸発したわけではなくて,水分子の間の隙間が少し広がったせいなのです.

ここで,体積が10cc(キュービック・センチメートル)のボールがあるとします.1ccは1/1,000リットルですから,10ccは1/100リットルです.このボールは慎重に設計されていて,重さが9.97グラムだとします.このボールを真水の中に入れると浮くでしょうか,沈むでしょうか.

ボールを水の中に入れると,ボールは10ccぶんの水を押し出そうとすることになります.もし水温が20度であれば,それは9.98グラムに相当します.これはボールの9.97グラムよりも重いので,同じ体積の水よりも軽いボールは浮き上がります.一方,水温が30度であれば,ボールが押し出した水の重さは9.96グラムなのでボールのほうが重く,ボールは沈んでいきます.

重さを少しずつ変えたボールを水の中に入れておくと,その日の水温つまりは気温に応じてボールの浮き沈みが変化します.ボールにそれぞれ目印をつけておくと気温が読み取れることになります.これが,市販されているガリレオ温度計の原理でした.

全裸で走るアルキメデス先生

ガリレオ温度計は,ボールの重さと,ボールが押し出した水の重さとを比べて,ボールの方が軽ければ浮き,ボールの方が重ければ沈むという原理を使ったものでした.この原理は「アルキメデスの原理」と言われています.

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