熱ねつ

太陽たいようの熱ねつ放射ほうしゃは、生命せいめい活動かつどうのエネルギー源げんである。

物理ぶつり学がくの熱ねつ力学りきがくにおいて、熱ねつ（ねつ、英えい: heat）は、高温こうおんの物体ぶったいから低温ていおんの物体ぶったいへと移動いどうするエネルギーである。

熱ねつとは、ある系けいのエネルギーの変化へんかから力学りきがく的てきな仕事しごとを差さし引ひいたものと定義ていぎされる。

概要がいよう

熱ねつはエネルギーの移動いどう形態けいたいの一ひとつである。スコットランドの物理ぶつり学者がくしゃジェームズ・クラーク・マクスウェルは1871年ねん、「熱ねつ」の現代げんだい的てき定義ていぎを初はじめて発表はっぴょうした。マックスウェルの熱ねつの定義ていぎは4つの規定きていで概説がいせつされる。1つ目めは熱ねつ力学りきがく第だい二に法則ほうそくによるもので、「（熱ねつとは）ある物体ぶったいから別べつの物体ぶったいへ伝達でんたつされる何なにか」だという規定きていである。2つ目めは熱ねつを数学すうがく的てきに扱あつかうための「測定そくてい値ち」の規定きていである。3つ目めは、熱ねつが力学りきがく的てき仕事しごとのような物質ぶっしつ的てきでない何なにかに変換へんかんされることもあるため、「（熱ねつを）物質ぶっしつとして扱あつかうことが出来できない」という規定きていである。最後さいごは、「（熱ねつは）エネルギーの1つの形態けいたいである」という規定きていである。

物体ぶったい間あいだで仕事しごとを通つうじて移動いどうする以外いがいのエネルギーの移動いどう形態けいたいを熱ねつという。「熱ねつ」という形態けいたいを通とおして移動いどうしたエネルギーの量りょうを「熱量ねつりょう」という。

熱ねつは物体ぶったい内ないに蓄たくわえられるものではない。仕事しごとと同様どうよう、それはある物体ぶったいから別べつの物体ぶったいへの「エネルギーの移動いどう」としてのみ存在そんざいする。熱ねつの形かたちで系けいにエネルギーを加くわえると系けいを構成こうせいする原子げんしや分子ぶんしの運動うんどうエネルギーや位置いちエネルギーの形かたちをとる。

熱ねつは必かならず高温こうおんの物体ぶったいから低温ていおんの物体ぶったいへと移動いどうする。低温ていおんの物体ぶったいから高温こうおんの物体ぶったいへと自発じはつ的てきに熱ねつが移動いどうすることはない（熱ねつ力学りきがく第だい二に法則ほうそくと密接みっせつな関係かんけいがある事項じこうである）。熱ねつが移動いどうした際さいに外部がいぶに熱ねつが流出りゅうしゅつしなかったならば、高温こうおんの物体ぶったいが放出ほうしゅつした熱量ねつりょうと、低温ていおんの物体ぶったいが接触せっしょくした物体ぶったいから得えた熱量ねつりょうは等ひとしい。また、同おなじ温度おんどならばみかけ上うえ熱ねつの移動いどうはなく、この状態じょうたいを熱ねつ平衡へいこう状態じょうたいという。

熱ねつ力学りきがく第だい一いち法則ほうそくによれば、孤立こりつ系けいのエネルギーは保存ほぞんされる。従したがって系けいの持もつエネルギーを変化へんかさせるにはその系けいから外界がいかいに、あるいは外界がいかいからその系けいにエネルギーを伝達でんたつしなければならない。ある系けいにエネルギーを伝達でんたつする方法ほうほうは、熱ねつと仕事しごとしかない。ある物体ぶったいに仕事しごとを行おこなうということは定義ていぎ上じょう、その系けいにエネルギーを伝達でんたつすることに他たならず、それによってその物体ぶったいの外部がいぶパラメータ（例たとえば、体積たいせき、磁化じか、重力じゅうりょく場じょうにおける重心じゅうしんの位置いちなど）が変化へんかする。熱ねつはそれら以外いがいの手段しゅだんによる物体ぶったいへのエネルギー伝達でんたつである。

熱ねつ平衡へいこうに近ちかい複数ふくすうの物体ぶったいの場合ばあい、温度おんどという概念がいねんが定義ていぎできるなら、熱ねつ伝達でんたつは物体ぶったい間あいだの温度おんど差さに関連かんれんする。それは複数ふくすうの物体ぶったいが相互そうごに熱ねつ平衡へいこう状態じょうたいに近ちかづく不可ふか逆ぎゃく過程かていである。

運動うんどうエネルギーと熱ねつの関係かんけい

→「気体きたい分子ぶんし運動うんどう論ろん」および「統計とうけい力学りきがく」も参照さんしょう

物質ぶっしつ（注目ちゅうもくする熱ねつ力学りきがく系けい）へ熱ねつや仕事しごととして加くわえられる（または引ひき去さられる）エネルギーは、微視的びしてきにはその物質ぶっしつを構成こうせいする分子ぶんしや原子げんしの運動うんどうエネルギーや位置いちエネルギーの変化へんかと見みなせる。統計とうけい力学りきがくにおいて内部ないぶエネルギーは、その物質ぶっしつが取とり得える微視的びしてき状態じょうたいから定義ていぎされる統計とうけい集団しゅうだんを用もちいて、（その統計とうけい集団しゅうだんにおける）エネルギーの期待きたい値ちとして与あたえられる。特とくに理想りそう気体きたいの場合ばあい、気体きたい分子ぶんし間あいだの相互そうご作用さようは無視むしでき、内部ないぶエネルギーは気体きたい分子ぶんしの運動うんどうエネルギーの期待きたい値ちと直接ちょくせつ結むすび付つけられる。例たとえば理想りそう気体きたいへ熱ねつを加くわえると、それは気体きたい分子ぶんしが持もつ運動うんどうエネルギーの平均へいきんを増加ぞうかさせることになる。

熱量ねつりょうの単位たんい

→「ジュール」、「カロリー」、および「英えい熱量ねつりょう」も参照さんしょう

熱量ねつりょうの国際こくさい単位たんい系けいにおける計量けいりょう単位たんいは ジュール（J）である。ジュールはSI組立くみたて単位たんいの一ひとつであり、SI基本きほん単位たんいであるキログラム（kg）・メートル（m）・秒びょう（s）を用もちいて J = kg⋅m²⋅s⁻² と表あらわせる。あるいは力ちからの単位たんいであるニュートン（N）を用もちいて J = N⋅m と表あらわすこともできる。

また国際こくさい単位たんい系けいには含ふくまれないが、伝統でんとう的てきな熱量ねつりょうの単位たんいとして、カロリー（cal）や英えい熱量ねつりょう（Btu）がある。これらの単位たんいは、歴史れきし的てきには単位たんい質量しつりょうの水みずの温度おんどを基準きじゅんとなる温度おんどから（採用さいようしている温度おんど単位たんいで）1度ど上昇じょうしょうするために必要ひつような熱量ねつりょうとして定義ていぎされていたが、現在げんざいは様々さまざまな方法ほうほうで再さい定義ていぎされている。そのため、SI単位たんい換算かんさんで値ねが異ことなる定義ていぎが複数ふくすう存在そんざいする。

熱ねつと力学りきがく的てきな仕事しごとはともにエネルギーの移動いどうの一いち形態けいたいであり、いずれもエネルギーの単位たんいであるジュールを用もちいて表あらわせることが知しられている。歴史れきし的てきには熱ねつと仕事しごとは別個べっこの量りょうと認識にんしきされており、熱ねつの仕事しごと当とう量りょうの測定そくていなどを通つうじて熱量ねつりょうと仕事しごとの等価とうか性せいが確たしかめられている。

国際こくさい単位たんい系けいにおけるエネルギーの単位たんい時間じかん当あたりの移動いどう量りょうの単位たんいはワット (W) である。ワットはジュール毎秒まいびょう（J/s）に等ひとしい。

日本にっぽんの計量けいりょう法ほうにおける熱量ねつりょうの単位たんい

日本にっぽんの計量けいりょう法ほうにおいて、熱量ねつりょうの計量けいりょう単位たんいは、ジュール又またはワット秒びょう、ワット時じと定さだめられている。なお、仕事しごとの計量けいりょう単位たんいも電力でんりょく量りょうの計量けいりょう単位たんいもジュール又るまたはワット秒びょう、ワット時じである。

1999年ねん10月がつ以降いこう、計量けいりょう単位たんいとしてのカロリーの使用しようは特殊とくしゅの計量けいりょうである「人ひと若もしくは動物どうぶつが摂取せっしゅする物ものの熱量ねつりょう又または人ひと若もしくは動物どうぶつが代謝たいしゃにより消費しょうひする熱量ねつりょうの計量けいりょう」にのみ用もちいることができる。そして2002年ねん4月がつ以降いこう、中学校ちゅうがっこう学習がくしゅう指導しどう要領ようりょうにおいて、熱量ねつりょうの計量けいりょう単位たんいは、ジュールを用もちいることとされた。カロリーの使用しよう制限せいげんの経緯けいいおよび栄養えいよう学がくにおける使用しようについては「カロリー」の項こうを参照さんしょう。

記法きほう

熱ねつ伝達でんたつで移うつされるエネルギー総量そうりょう（amount of heat）は一般いっぱんに Q で表あらわされ、一般いっぱんに熱量ねつりょうと呼よばれる。その正負せいふは、ある物質ぶっしつ（熱ねつ力学りきがく系けい）が外界がいかいに熱ねつを放出ほうしゅつする場合ばあいを負まけ（Q < 0）、ある物質ぶっしつが外界がいかいから熱ねつを吸収きゅうしゅうする場合ばあいを正せい （Q > 0）とするように定義ていぎされる。

単位たんい時間じかん当あたりの熱ねつ流りゅう (heat transfer rate) は熱量ねつりょうの時間じかん微分びぶんとして表あらわされる。

${\dot {Q}}={\frac {dQ}{dt}}$

熱ねつ流りゅう束たば (heat flux) は単位たんい面積めんせきの断面だんめんを通過つうかする単位たんい時間じかん当あたりの熱ねつ流りゅうと定義ていぎされ、q と表記ひょうきされる。

内部ないぶエネルギー

→詳細しょうさいは「内部ないぶエネルギー」を参照さんしょう

熱ねつに関連かんれんする内部ないぶエネルギーという用語ようごは、物体ぶったいの温度おんどを上あげることで増加ぞうかするエネルギーにほぼ相当そうとうする。

熱ねつ $Q$ は系けいの内部ないぶエネルギー $U$ とその系けいがなす仕事しごと $W$ とに関係かんけいし、熱ねつ力学りきがく第だい一いち法則ほうそくによれば次つぎのようになる。

$\Delta U=Q-W\$

すなわち、系けいの内部ないぶエネルギーは仕事しごとによっても熱ねつ力学りきがく的てき系けいの境界きょうかいを越こえた熱ねつ流りゅうによっても変化へんかする。より詳細しょうさいに言いえば、内部ないぶエネルギーとは系けい内ないの微視的びしてき形態けいたいのエネルギーの総和そうわである。それは分子ぶんしの構造こうぞうや分子ぶんしの活動かつどう度どと関連かんれんし、分子ぶんし群ぐんの運動うんどうエネルギーと位置いちエネルギーの総和そうわと見みなすことができる。それは次つぎのような種類しゅるいのエネルギーで構成こうせいされる。

乱雑らんざつな分子ぶんしの並進へいしん運動うんどうのエネルギーと分子ぶんし内ないの回転かいてん・振動しんどう運動うんどうのエネルギー、分子ぶんし間あいだの相互そうご作用さようによるエネルギーや原子核げんしかくエネルギーなどの和わを、物質ぶっしつの内部ないぶエネルギーと呼よぶ。

定圧ていあつの理想りそう気体きたいに対たいして熱ねつの形かたちでエネルギーが流入りゅうにゅうすると、内部ないぶエネルギーが増大ぞうだいし、体積たいせきが制限せいげんされていなければ体積たいせきの変化へんか（系けいの境界きょうかいに対たいする仕事しごと）が起おきる。第だい一いち法則ほうそくに立たち返かえり、系けいがなす仕事しごと$W$を「境界きょうかい (boundary) に対たいする仕事しごと$W_{\mathrm {boundary} }$」と「その他た (other) の仕事しごと$W_{\mathrm {other} }$」に分わけると、次つぎのようになる。

$\Delta U+W_{\mathrm {boundary} }=Q-W_{\mathrm {other} }\$

$\Delta U+W_{\mathrm {boundary} }$ はエンタルピー $H$ であり、熱ねつ力学りきがくポテンシャルの1つである。エンタルピー $H$ と内部ないぶエネルギー $U$ は共ともに状態じょうたい関数かんすうである。熱ねつ機関きかんのような循環じゅんかん過程かていでは、1サイクルが完了かんりょうすると状態じょうたい関数かんすうが初期しょき値ちに戻もどる。一方いっぽう $Q$ も $W$ も系けいの属性ぞくせいでないとき、循環じゅんかんのステップ上じょうで総和そうわが0になるとは限かぎらない。熱ねつの無限むげん小しょうの表現ひょうげん $\delta Q$ は、仕事しごとに関かんする過程かていの不完全ふかんぜん微分びぶんを形成けいせいする。しかし、体積たいせきが変化へんかしない過程かていなどでは $\delta Q$ が完全かんぜん微分びぶんを形成けいせいする。同様どうように（熱ねつの移動いどうがない）断熱だんねつ過程かていでは、仕事しごとの式しきは完全かんぜん微分びぶんを形成けいせいするが、熱ねつの移動いどうを伴ともなう過程かていでは不完全ふかんぜん微分びぶんとなる。

エンタルピーと内部ないぶエネルギー交換こうかん

→「熱容量ねつようりょう」および「比ひ熱容量ねつようりょう」も参照さんしょう

ある物体ぶったい（系けい）の温度おんど変化へんかとそれに要ようするエネルギーの比ひを熱容量ねつようりょうと呼よぶ。また、単位たんい質量しつりょう、単位たんい物質ぶっしつ量りょう、または単位たんい体積たいせきあたりの熱容量ねつようりょうを比ひ熱容量ねつようりょうと呼よぶ。

定てい積せき熱容量ねつようりょうと定圧ていあつ熱容量ねつようりょう

ピストン内ないの気体きたいのような単純たんじゅんな圧縮あっしゅく可能かのうな系けいでは、エンタルピーと内部ないぶエネルギーの変化へんかはそれぞれ定圧ていあつ熱容量ねつようりょうと定てい積せき熱容量ねつようりょうとに関連付かんれんづけることができる。体積たいせきを一定いっていに保たもつ（定てい積せき）条件じょうけんの下したでは、初期しょき温度おんど T₀ から最終さいしゅう的てきな温度おんど T_f に変化へんかさせるのに要ようする熱ねつ $Q$ は次つぎの式しきで表あらわされる。

$Q=\int _{T_{0}}^{T_{f}}C_{v}\,dT=\Delta U\,\!$

一方いっぽう、圧力あつりょくを一定いっていに保たもつ（定圧ていあつ）条件じょうけんの下したでは、熱ねつは次つぎの式しきで表あらわされる。

$Q=\int _{T_{0}}^{T_{f}}C_{p}\,dT=\Delta H\ =\Delta U+\int _{V_{0}}^{V_{f}}P\,dV\,\!$

圧縮あっしゅくできない物質ぶっしつ

定圧ていあつ過程かていにおいて系けいの体積たいせき変化へんかを無視むしできる場合ばあい、外界がいかいへ仕事しごとがなされず、内部ないぶエネルギーとエンタルピーの変化へんかは一致いっちする。このとき、$C_{p}$ と $C_{v}$ は等ひとしくなる。

比ひ熱容量ねつようりょう

→「比ひ熱容量ねつようりょう」も参照さんしょう

比ひ熱容量ねつようりょうとは、単位たんい質量しつりょう当あたりの熱容量ねつようりょうである。熱容量ねつようりょうは注目ちゅうもくしている系けい全体ぜんたいのエネルギーと温度おんどの関係かんけいを示しめしたものだが、比ひ熱容量ねつようりょうは系けいを構成こうせいする物質ぶっしつやその結晶けっしょう構造こうぞうの性質せいしつを示しめす。

十分じゅうぶん低温ていおんな液体えきたいでは、量子りょうし効果こうかが重要じゅうようになる。例たとえばヘリウム4のようなボース粒子りゅうしの挙動きょどうがある。その場合ばあい、ボース＝アインシュタイン凝縮ぎょうしゅく点てんを境さかいとして比ひ熱容量ねつようりょうは不連続ふれんぞくに変化へんかする。

固体こたいの振ふる舞まいは、古典こてん的てきにはデュロン＝プティの法則ほうそくによって説明せつめいされるが、これは比較的ひかくてき高温こうおんの領域りょういきでのみ成なり立たつ。低温ていおんの固体こたいの振ふる舞まいはデバイ模型もけいによって説明せつめいできる。金属きんぞくのように伝導でんどう電子でんしの寄与きよがない場合ばあい、比熱ひねつへの寄与きよは格子こうし振動しんどうによるものが主おもとなる。デバイ模型もけいにおいて、デバイ温度おんどより十分じゅうぶん低温ていおんの領域りょういきでは比熱ひねつ容量ようりょうは温度おんどの3乗じょうに比例ひれいする。 一方いっぽう、金属きんぞく中ちゅうの伝導でんどう電子でんしの挙動きょどうを考慮こうりょする場合ばあい、第だい二に項こうとしてフェルミ分布ぶんぷ関数かんすうなどを必要ひつようとする。

モル熱容量ねつようりょうと比ひ熱容量ねつようりょう

→「定圧ていあつモル熱容量ねつようりょう」および「定てい積せきモル熱容量ねつようりょう」も参照さんしょう

単位たんい物質ぶっしつ量りょう当あたりの熱容量ねつようりょうをモル熱容量ねつようりょうと呼よぶ。モル熱容量ねつようりょうと比ひ熱容量ねつようりょうは、体積たいせきや分子ぶんし数すうといった示しめせ量りょう変数へんすうではなく系けいの内部ないぶ自由じゆう度どに依存いぞんしている。一方いっぽう、熱容量ねつようりょうは系けいの分子ぶんし数すうに依存いぞんする示しめせ量りょう変数へんすうである。

熱容量ねつようりょうは質量しつりょう $m$ と比ひ熱容量ねつようりょう $c_{s}$ の積せきで表あらわされる。

$C_{p}=mc_{s}$

あるいは、モル数かずとモル熱容量ねつようりょう $c_{n}\,\!$ から次つぎのようにも表あらわされる。

$C_{p}=nc_{n}$

エントロピー

→詳細しょうさいは「エントロピー」を参照さんしょう

1856年ねん、ドイツの物理ぶつり学者がくしゃルドルフ・クラウジウスが熱ねつ力学りきがく第だい二に法則ほうそくを定義ていぎし、そこで熱ねつ Q と温度おんど T から次つぎのような値ねを考かんがえた。

${}{\frac {Q}{T}}$

そして1865年ねん、この比ひをエントロピーと名付なづけ、S と表記ひょうきするようにした。

$\Delta S={\frac {Q}{T}}$

従したがって、熱ねつの不完全ふかんぜん微分びぶん δでるたQ は TdS という完全かんぜん微分びぶんで定義ていぎされることになる。

$\delta Q=TdS\,$

い換いかえれば、エントロピー関数かんすう S は熱ねつ力学りきがく的てき系けいの境界きょうかいを通とおる熱ねつ流りゅうの定量ていりょう化かと測定そくていを容易よういにする。

工学こうがくと熱ねつ

工学こうがくにおける伝つて熱ねつ

赤熱しゃくねつした鉄てつが周囲しゅういに伝つて熱ねつしている（主おもに温度おんど放射ほうしゃ）

→詳細しょうさいは「伝つて熱ねつ」を参照さんしょう

一般いっぱんに伝つて熱ねつを扱あつかう工学こうがく分野ぶんやとして機械きかい工学こうがくと化学かがく工学こうがくがある。「熱ねつ」の定義ていぎにはエネルギーの移動いどうが含ふくまれているが、「伝つて熱ねつ」という用語ようごは工学こうがくなどの場面ばめんで古ふるくから使つかわれてきた。伝つて熱ねつは様々さまざまな機器ききや過程かていの設計せっけい・運用うんようにとって重要じゅうような要素ようそである。

伝つて熱ねつは、[熱ねつ伝導でんどう]の機構きこうでなされる。対流たいりゅうや放射ほうしゃは熱ねつの移動いどう形態けいたいではなく、エネルギー移動いどう形態けいたいであり、その機構きこうについて挙動きょどうを説明せつめいする別個べっこの物理ぶつり法則ほうそくが発見はっけんされているが、実際じっさいのシステムではこれらが複ふく合あい的てきに作用さようすることがある。システムの伝つて熱ねつを近似きんじ的てきに推定すいていするための様々さまざまな数学すうがく的てき方法ほうほうが開発かいはつされてきた。

熱ねつから仕事しごとへの変換へんかん

仕事しごとは熱ねつに容易よういに変換へんかんすることができるが、熱ねつを仕事しごとに変換へんかんするのは容易よういではない。熱ねつを仕事しごとに変換へんかんする装置そうちは熱ねつ機関きかんと呼よばれている。また熱ねつ機関きかんによる熱ねつから仕事しごとへの変換へんかん効率こうりつのことを熱ねつ効率こうりつといい、通常つうじょう$\eta$（イータ：ギリシア文字もじ）で表あらわされる。熱ねつ機関きかんに与あたえられた熱ねつを $Q$、得えられた仕事しごとを $W$ とすれば、$\eta =W/Q$ となる。熱ねつ機関きかんにおいては、いかなる装置そうちでも高温こうおんの熱源ねつげんから低温ていおんの熱源ねつげんへの熱ねつの流出りゅうしゅつを完全かんぜんに防ふせぐことはできないため、$\eta =1$ となる（すなわち、与あたえた熱ねつを完全かんぜんに仕事しごとに変換へんかんできる）熱ねつ機関きかんは存在そんざいしえない（熱ねつ力学りきがく第だい二に法則ほうそく）。このことは永久えいきゅう機関きかんの存在そんざいの不可能ふかのう性せいとも関連かんれんがある。

「熱ねつ」の歴史れきし

→詳細しょうさいは「カロリック説せつ」、「フロギストン説せつ」、および「熱ねつの仕事しごと当とう量りょう」を参照さんしょう

カロリック説せつ

過去かこ、熱ねつに関かんしてはその源みなもととして熱ねつ素もとなるものの存在そんざいが信しんじられていた（カロリック説せつ）。熱ねつ素もと説せつは熱量ねつりょう保存ほぞん則そくが根底こんていにあったことを忘わすれてはならない。熱ねつ素もと説せつは後のちにランフォード伯はくらによって否定ひていされた。ランフォード伯はくが、大砲たいほうの製作せいさく現場げんばの金属きんぞくの削けずり取とりにおいて際限さいげんなく熱ねつが発生はっせいすることに矛盾むじゅんを見出みだしだした、という逸話いつわはよく知しられている。熱ねつ素もと説せつが正ただしければ、熱量ねつりょうは保存ほぞんするので摩擦まさつによる熱ねつの発生はっせいはいつか停止ていしするはずだからである。

熱量ねつりょう計けい

熱量ねつりょう計けいは物質ぶっしつの化学かがく反応はんのうや状態じょうたい変化へんかに伴ともなう熱容量ねつようりょうの測定そくていに用もちいられる。温度おんど計けいと断熱だんねつ容器ようきで構成こうせいされる。外部がいぶから熱ねつが入はいったり出でて行いかないように断熱だんねつ容器ようきになっている。

関連かんれん項目こうもく

• 熱ねつ力学りきがく
• 統計とうけい力学りきがく
• 内部ないぶエネルギー
• 伝つて熱ねつ
• 熱量ねつりょう計けい
• 熱ねつ交換こうかん器き
  • ヒートシンク
• 熱ねつ伝達でんたつ率りつ
• 温度おんど
  • 体温たいおん
  • 発熱はつねつ（医学いがく）
  • 気温きおん
  • 水温すいおん

外部がいぶリンク

• Plasma heat at 2 gigakelvins - Article about extremely high temperature generated by scientists（Foxnews.com）
• Correlations for Convective Heat Transfer - ChE Online Resources
• An Introduction to the Quantitative Definition and Analysis of Heat written for High School Students