熱と温度：違いは何か？

熱と温度の違い

熱と温度は熱力学における2つの異なる概念ですが、密接に関連しています。

温度：分子運動の尺度

温度は物体の分子運動の尺度であり、熱は異なる温度を持つ2つの物体の間で伝達されるエネルギーの一形態です。

したがって、温度は物体の熱力学的状態のみに依存する示強性の量であり、熱は物質の量と温度変化に依存する示量性の量です。

平均熱運動 vs 伝達エネルギー

言い換えれば、温度は物体の分子の平均熱運動を測り、熱は異なる温度を持つ2つの物体の間で伝達されるエネルギーの量を測ります。

温度とは何か？

温度は物体または系の分子運動を測る物理量です。
この熱運動は分子のランダムな運動に対応し、物体または系の温度に直接関係しています。もっと簡単に言えば、この量は温度計を使って摂氏度（°C）またはケルビン（K）で測定できます。

粒子の平均運動エネルギー

物体の熱運動の温度の方程式は、粒子の平均運動エネルギーに対応します。
E = ½m v² ここで E は粒子の平均運動エネルギー、m はその質量、v はその平均速度です。

粒子の速度と温度

気体の運動理論によれば、以下の方程式は気体中の粒子の速度が温度とともに増加することを示しています。
v = sqrt((3 * k * T) / m) ここで T は気体の温度、k はボルツマン定数（1.38 x 10^-23 ジュール毎ケルビン）、m は粒子の質量です。

運動エネルギーと温度の比例関係

以下の方程式は、気体の粒子の平均運動エネルギーが絶対温度 T に比例することを示しています。したがって、熱運動の温度は系の温度に直接関係しています。
E = (3/2) * k * T ここで E は運動エネルギー、T は気体の温度、k はボルツマン定数です。

熱とは何か？

熱は温度差により一方の系から他方の系へ伝達されるエネルギーの一形態です。
熱はジュール（J）またはカロリー（cal）で測定され、1カロリーは約4.184ジュールに相当します。熱は熱伝導（直接接触）、対流（流体の運動による接触）、または放射（電磁波の形での熱伝達）のいずれかによって伝達されます。

熱伝導による伝達：フーリエの法則

熱伝導による熱伝達、例えば厚さ L の平らな板を通しての場合、フーリエの法則は板を通して単位時間あたりに伝達される熱量 Q を与えます：
Q = -k * A * (dT/dx) ここで k は板の熱伝導率、A はその表面積、dT/dx は板に沿った温度勾配であり、マイナス符号は熱が高温領域から低温領域へ伝達されることを示しています。

対流による伝達：ニュートンの法則

2つの流体間の対流による熱伝達について、ニュートンの局所熱伝達方程式は単位時間および単位面積あたりに伝達される熱量 Q を与えます：
Q = h * A * (T1 - T2) ここで h は熱伝達係数、A は流体間の接触面積、T1 と T2 は2つの流体の温度であり、熱は T1（より高温の流体）から T2（より低温の流体）へ伝達されるため、マイナス符号は省略されます。

放射による伝達：ステファン・ボルツマンの法則

2つの物体間の放射による熱伝達について、ステファン・ボルツマンの法則は温度 T1 の黒体の単位面積あたりに放射され、温度 T2 の別の黒体の単位面積あたりに受信される熱量 Q を与えます：
Q = σ * A * (T1^4 - T2^4) ここで σ はステファン・ボルツマン定数（σ = 5.670 374 419 x 10^-8 W m^-2 K^-4）、A は2つの物体の表面積です。
この法則は、物体が完全な黒体であると仮定しています。つまり、それらに到達するすべての放射を吸収し、高温物体から放射される電磁放射のスペクトルを記述するプランクの法則に従う放射を放出すると仮定しています。

注：
これらの方程式は実際には常に適用できるわけではありません。なぜなら、熱伝達の条件は複雑であり、物体の形状、材料の熱的性質、流体の流速など、多くのパラメータに依存することが多いからです。