熱（熱エネルギー）：定義、伝達、測定、用途

熱とは何か、何ではないか

熱は温度と同じものではない。温度は、物体を構成する微視的な要素が平均してどれほどエネルギーをもつかを測る量であり、物体の性質である。これに対し熱は、境界を越えるエネルギーの移動を意味する。微視的な運動と相互作用によって物体内部に蓄えられたエネルギーは、内部エネルギーと呼ばれる。閉じた系の内部エネルギーの変化は熱力学第一法則に従う。この法則は、内部エネルギーの増加が、系に加えられた熱から、系が周囲に対して行った仕事を差し引いた量に等しいことを示す。要するに、熱は移動中のエネルギーであり、内部エネルギーは内部に含まれるエネルギーである。

熱伝達の形態

• 伝導：粒子の直接接触と微視的な衝突により、媒体を通して熱が流れる現象。
• 対流：流体が全体として移動することで、熱エネルギーがある場所から別の場所へ運ばれる現象。
• 放射：赤外線や可視光線などの電磁波が、物質媒体を必要とせずにエネルギーを運ぶ現象。

量と測定

熱はエネルギーの単位で測定され、SI単位はジュールである。実用上の旧来の単位にはカロリーがある。物質が熱にどう応答するかを決める重要な性質には、熱容量、比熱（単位質量当たりの温度を上昇させるのに必要なエネルギー）、潜熱（温度を変えずに相変化の際に吸収または放出されるエネルギー）がある。特定の物体や系について論じる際には、その系が平衡状態にあるかどうか、また熱伝達がその状態をどのように変えるかを述べることが一般的である。

歴史と理論的背景

熱に関する考え方は、熱を流体とみなす、現在では廃れたカロリック説から発展した。19世紀には、熱と仕事が相互に変換可能であることを示す実験によって、力学的な見方が確立された。これにより熱力学の法則が定式化され、制御された熱伝達を利用するエンジンや冷凍の技術が発展した。

用途と重要性

熱伝達は、内燃機関や蒸気機関、電気加熱、調理、気候と気象のパターン、建物の断熱、電子機器の冷却、産業プロセスなど、多くの技術や現象の基盤となっている。熱の流れを理解することで、技術者や科学者はエネルギー効率と安全性を考慮した系を設計できる。住宅を断熱する、調理法を選ぶ、ラジエーターの大きさを決めるといった一般的な実用作業も、すべて上記の原理に依存している。

重要な区別

覚えておくべき要点は、熱は温度差により境界を横切るエネルギーであり、物体が「含む」物質ではないこと、自発的な熱の流れは高温側から低温側へ向かうこと、そして熱と仕事の符号および収支は熱力学上の規約に従うことである。基礎概念と応用的方法については、以下の関連資料を参照されたい。

原子についての参考資料 • 初歩的な熱力学 • 温度の定義 • 統計的平均 • 粒子の運動 • エネルギーの概要 • 内部エネルギー • 第一法則 • 熱力学における仕事 • 系と境界 • 熱力学的平衡