質問: 絶対温度、絶対零度について 絶対零度はどんな物質でも同じ-273°Cというところに納得できなくて質問しました。 物質が違うと絶対零度は変わってもいいのではと思うのですが、上記である理由を教えていただけると幸いです。詳しい方からのアドバイスをお願いします。
回答: ◆回答 「物質が違っても絶対零度は同じでなければならない」のは「温度が違う二つの物体を互いに触れさせて放っておくと、その二つの物体の温度はいずれは同じになる」からです。 ◆説明 もしも、冷やせる限界の温度が物質によって違うのであれば、以下に示すように、「温度が違う二つの物体を互いに触れさせて放っておくと、その二つの物体の温度はいずれは同じになる」という経験則に矛盾します。 絶対零度が-273°Cの物質aからなる-272°Cの物体xと、絶対零度が-271°Cの物質bからなる-270°Cの物体yがあったとします。この二つの物体間で熱が行き来するけど、これらの物体から外に熱が逃げられないような条件下で、これらの物体の温度がどう変化するかを考えてみましょう。 もし-272°Cの物体xを-271°Cに温めるのに必要な熱量が、物体yを-270°Cから-271°Cに冷やすのに物体yから奪わなければならない熱量に等しいか小さければ、この二つの物体を互いに触れさせて放っておくとどちらの物体も-271°Cかそれ以上の同じ温度になります。ここに矛盾はありません。しかし、もし-272°Cの物体xを-271°Cに温めるのに必要な熱量が、物体yを-270°Cから-271°Cに冷やすのに物体yから奪わなければならない熱量よりも大きかったなら、この二つの物体を互いに触れさせて放っておいても、物体xが-271°Cにまで温まることはありませんから、「二つの物体の温度はいずれは同じになる」という経験則に矛盾します。 物体の熱容量(物体を1°C温めるのに必要な熱量)は、物体が非常識に大きかったり小さかったりしない限りは、物体の質量に比例します。ですので、絶対零度が-273°Cの物質aの量を十分多くして、絶対零度が-271°Cの物質bの量を十分少なくしておけば、-272°Cの物体xを-271°Cに温めるのに必要な熱量を物体yを-270°Cから-271°Cに冷やすのに物体yから奪わなければならない熱量よりも大きくすることが可能です。これと上で考えたことを合わせると、「二つの物体の温度はいずれは同じになる」という経験則を破ることが可能となります。 「温度が違う二つの物体を互いに触れさせて放っておくと、その二つの物体の温度はいずれは同じになる」という法則は、あくまでも経験則ですので、この法則が破られることがあっても別にかまわないのですけど、有史以来、この法則の破れは観測されたことがありません。ちょっと見ると破れているように見える場合があるかもしれませんけど、その場合は、熱が外から与えられているか、外に逃げ出しているか、待ち時間がまだ足りないか、物体が非常識に大きいか、あるいは非常識に小さいか、のどれかだと考えられています。 ◆細かい話 もし-271°Cと-270°Cの間のある温度で物質bが相転移を起こすなら、その温度で物質bの熱容量が無限大になることがあります。ですけど相転移や相分離や化学反応があったとしても、物体yの質量が有限であれば、物体yを-270°Cから-271°Cに冷やすのに物体yから奪わなければならない熱量には上限があります。 もし熱容量が負だったらどうなるか?物体が非常識に大きいときにはどうなるか?は非常に興味深い話ですが、これは化学というよりも物理学や天文学の話になりますので、そちらのカテゴリーで質問された方がよいでしょう。 物体が非常識に小さいときにはどうなるか?の答えは簡単で、「物体が非常識に小さいときには温度は定義できません」という答えになります。しばしば「温度とは物質の原子の熱振動の大きさのこと」と説明されることが多いのですけど、もう少しだけ正確に言えば「温度とは物質の原子の熱振動の“分布”の大きさのこと」だからです。 ちなみに絶対零度でも原子が動かなくなる、とは限りません。1気圧のヘリウムは絶対零度でも固化しません。液体のままです。液体のままですから、絶対零度1気圧のヘリウム原子は動けます。 物質(電気を通すもの)を1°冷やすと1/273度抵抗が減るという実験データは、ありません。電気抵抗の温度係数は物質により異なります。#2さんはシャルルの法則と混同されているように思われます。また、絶対零度にまで冷やしても超電導にならない金属は、金や銀や銅のように、ふつうにあります。