熱を測るはなしをしましょう。

地球の大きさの求め方

私、最近、毎日体温を測っております。体温計は、脇にはさんでおくと、1分あまりでピピっとなるやつです。デジタル表示でわかりやすいですな。この「熱を測る」という行為、実は「地球の大きさを測る」よりもずっと最近になって可能になったのです。つまり、地球の大きさを測るよりも、体温を測る方が難しかったのですな。今回はそんな熱を測るおはなしでございます。

かつて、夏休みの宿題の定番といえば「天気を記録し、毎日の気温を測る」ことでした。今ではネットで夏休みの記録が一目瞭然なので、それを写すチートもあり、意味ないんじゃね？という感じではありますが、サイエンスの基本の測定と記録の練習という点では、お手軽でなかなか良いのですね。温度計は数百円くらいで手に入りますし、家でパジャマのママでも測れますしね。え？クーラー？ウーム。

一方で、地球の大きさを測るというと大ごとでございますな。簡単には太陽の南中高度が1度違う地点間の距離を測り、それを360倍すれば、地球の円周が求められます。問題は1度違うのは、距離にして110kmもある点です。小学生が独力でというとちょっと無理がありすぎますな。大体、高度の1度差を測るのも、結構面倒でございます。

ただ、これは紀元前3世紀と、卑弥呼より古い2000年以上前に活躍したエラトステネスというギリシア人が成功しているんですね。彼は、自分が住むエジプトの地球海沿いの町アレキサンドリアの南にあるシエネでは、太陽光が井戸の底まで差し込む日がある〜太陽が頭の完全に真上になる〜ことをしり、そうならないアレキサンドリアと同じ日に日陰の角度＝同じ長さの棒の影で比較すれば良い、を知り、アレキサンドリアーシエネ間の距離を測定すれば、地球の大きさは測定できるとしました。実際にざっと5万kmという、現代知られている4万kmとそう変わらない値の測定に成功したんですな。距離は歩測だったそうです。え？わかりにくい？こちらのページがわかりやすいっすよ。

温度測定の歴史

では、温度の測定はどうか？というとこれが400年まえの17世紀なのでございます。卑弥呼どころか、平安どころか、江戸時代でございますよ。温度が高い、低いは体感でもわかりますが、測定するための道具がなかなか登場しなかったのでございますな。

温度計の元祖は、ガリレオが発明しています。あ、世の中にはガリレオ温度計というものが売っていますが、あれはインテリア用で、実際にガリレオが発明したものとは違います。まあ、液体の密度が温度によって変化するという温度計の原理を使ってはいますけれどね。ガリレオの温度計は、実は「温度が測れない」相対的に高くなったか低くなったかだけを示すものでした。構造的には今のアルコール温度計と似ていますが、目盛りはなく、かつ、片方の端はオープンになっていた。まあ、アルコールを満たした皿に、温度計を突き刺したようなものだったんですな。イメージはこちらのページがわかりやすいです。

ただ、これだと気圧の変化でもアルコールは上下するので、密閉したものが間も無く開発され、さらに、18世紀にファーレンハイトやセルシウスと言った人が目盛をつけることで、現代の温度計と同じようなものになっていきます。これで、温度測定ができるようになり、ついには、有名なシャルルの法則が生まれ、熱機関つまりエンジンの発展へとつながるわけです。温度が測れなければ、エンジンの発展もあり得なかったわけですな。もちろん、冷蔵庫もでございます。遠くからお取り寄せができるのも、冷蔵庫を積んだトラックがパッと運んでくれるからで、元はといえば、温度計のおかげなのでございますな。

温度計の歴史

さて、17世紀や18世紀の温度計は、アルコールや水銀の体積が温度によって変化することを利用するものでございました。温度によって変化する、その仕方がいつでも一定ならば、それは温度計になり得ますな。

温度によって変化するといえば、鉄など金属の長さもありますね。夏になるとレールが伸びるなんて話はよく聞くわけです。そしてその伸び方は金属の種類によって違います。2種類の金属を貼り合わせておくと、より温度に敏感な方が大きく変形し、そりかえります。これに針をつけておくと、針がグッと動きますので、そこに目盛をつけると温度計になります。これがバイメタル温度計で19世紀後半に発明されています。こちらがわかりやすいですな。

また。そりかえるのをスイッチにすることもできます。温度が上がりすぎると、スイッチが切れるようにする仕組みは、コタツなどに使われていますな。精度はあまり出ないのですが、故障しにくく安価なので、今でもよく使われています。ただ、本当に精度がいまいちで、ものの本には2度程度しかわからないとあります。まあコタツの温度はそんな厳格である必要はないですし、十分実用でございますな。

しかし、なかなかピッの体温計になりませんね。まだまだ温度計はあるのでございます。19世紀の初めごろ、温度は電気の流れに作用することを科学者は発見します。発見者はゼーベックやペルチェ、デービーなどで、2種類の金属を接続し、それぞれの温度を変えると電流が発生するという発見。さらに、電流を流すと、温度を下げたり上げたりできる発見もありました。ペルチェ素子という名前で、局所冷却に使われている原理ですね。

そして、この電流と温度を組み合わせて、温度を測定するのが熱電対です。2種類の金属を温度測定物体にさらし、発生する電流を調べれば温度が測定できるというわけですな。現在、これが最も正確な温度計ということがわかっています。

また、電流は発生させなくとも、温度によって電気の流れやすさが変わるものも、温度計に使えます。サーミスタと言われる抵抗がそうです。私も使っている腋にはさんで使う一般的な電子体温計は、サーミスタを使ったものでございますな。サーミスタが体温と同じになるにはちょっと時間がかかるので、しばらく待たないといけないわけです。ただ、最近は10秒で測定なんてものも出ています。これはサーミスタの温度の上昇を調べ、その上がり具合を半導体(IC)で解析して平衡温度を予測するんですな。まあ、最近の電子体温計は、コンピュータ入りというわけですな。ついでに通信ができるのも出ていますね。

最近はさまざまな形状、計測時間の体温計が販売されてます

非接触体温計の仕組み

ところで、温度測定というと、サーモグラフィとか、最近よく見かける非接触の放射温度計も気になりますね。これは、太陽の熱が光の一種、赤外線として伝わるという発見がスタートでございます。赤外線は最初は温度計で測定されましたが、写真でも撮影でき、さらに光センサーでも調べられることになります。後は、温度の高い、低いで、赤外線の「色」が変化することを利用すれば、違う色に感度がある光センサー2つ以上を組み合わせ、温度測定が可能になるんですね。はるか彼方にある恒星の温度や、接触できない高温の物質の温度などはこれを使って測定します。

最近はスマホにつなげて手軽に測定できるサーモグラフィなども登場しています (2018年開催のメンテナンス・レジリエンスTOKYO 2018にて編集部撮影)

放射温度計の原理はそんなところで、これを瞬時に数値化するにはコンピュータを噛ませる必要がありますな。なお、これ、カメラでもある程度代用できますが、デジカメやスマホのカメラは赤外線をわざと感じさせないように作っています(服が透けて映るなどがあるため)、体温くらいの低温だと正直困難ですね。専用の赤外線カメラを使うことになりますな。

ということで、温度を測る手段はいろいろあるのです。最近は体温スクリーニングで非接触の温度計もよく見るようになりましたが、あれは恒星の温度を測定するのと同じなんですな。

温度が測れることで広がる世界の中で、私たちは生きているのですが、人類の歴史の中ではごく最近のお話、ということでございました。