摩擦熱の正体。運動エネルギー⇒熱エネルギー？

質問

摩擦熱とは、運動エネルギーが減少し熱エネルギーが増大する事で発生するようです。乗用車のブレーキを踏むと、運動エネルギー(乗用車の速度)が減少し熱エネルギー(ブレーキパッドとブレーキディスクの温度)が増大しますよね。

温度が上昇するとは核子(陽子と中性子)や電子の運動が激しくなる事なので、車体の運動エネルギー減少分は、ブレーキパッドとブレーキディスク内の核子と電子の運動エネルギー増加分と等価ですか。厳密には、運動エネルギー⇒熱エネルギーではなく、運動エネルギー⇒運動エネルギー？クルマに詳しくなくて失礼しております。

回答No.2

Tacochin · ベストアンサー

マクロ界とミクロ界（量子論）の物理現象を一緒くたに考えることはおすすめできません。「核力場」を考えるように。しかし質問者さんはどうしても、マクロ界の現象をミクロ界にもあてはめて考えてみたいご様子のようですね。

先ずは
■原子と分子の違い

原子とは...電子と原子核（陽子と中性子）で構成された粒子
分子とは...原子が幾つか集まって構成された粒子

分子構成の例：
水素分子：H₂
H（水素）原子が２つで１分子

酸素分子：O₂
O（酸素）原子が２つで１分子

水分子：H₂O
H（水素）原子が２つと、
O（酸素）原子が１つで１分子

・原子により結合原子の種類（元素）や個数が決まっている
・原子がどのように結合するかで分子の性質が決まる

参考サイト：
https://kagakuhannou.net/%EF%BC%92%E7%AB%A0%E3%80%80%E5%88%86%E5%AD%90-%EF%BC%91/

そして、分子が沢山集まって１つの物体が存在します。

■本題への回答：

流れはおおまかに...

自動車の運動エネルギー
→大気中への熱エネルギー放出　と
→摩擦による部品の摩耗
（運動エネルギーによる仕事）　です。

ブレーキペダルを踏む
↓
マスターバック（ブレーキブースター ）
（倍力装置）...エンジンの負圧等を利用して小さい踏力で大きな力を得る
↓
マスターシリンダー
...ブレーキオイルによる油圧作動
↓
ブレーキ配管
↓
ディスクキャリパー
...油圧でパッドをロータに押し当て
↓
ブレーキパッド
↓
ディスクロータ
...回転速度が低下する
（運動エネルギーが熱エネルギーに変換される）
↓
摩擦して大気へ熱エネルギー放出

温度上昇は、分子運動が激しくなったことの結果です。それぞれの原子が単体で振動しているというよりは、分子レベルで振動していると解釈願います。ディスクロータやブレーキパッドから空気中への熱伝導によって、熱エネルギーとして大気中へ放出されます。

摩擦することにより、お互いの表面の分子同士の結合が引きはがされ、ブレーキパッドもディスクロータも摩耗します。「摩耗」は一種の「変形」と考えて良いでしょう。

車輪側のディスクロータの方がブレーキパッドよりも硬く、ブレーキパッドの方が早く摩耗します。ブレーキパッド（樹脂と金属を焼結したもの）の粉もほんの微量ですが放出されています。ディスクロータ（鋳鉄製）も、もっと微量ですが、金属粉が放出されています。これも運動エネルギーによる仕事です。パッドもロータも重要保安部品のため、車検で必ず点検する箇所です。

■光子の運動エネルギー
>>光子は質量ゼロで運動エネルギーを持たないですよね。

光子も運動エネルギーは持っています。

振動数νの光であれば、νhが光子のエネルギーです（hはプランク定数）。光子は粒子として考えられるので、エネルギーも持つが運動量も持ちます。

E=mc²へあてはめると

mc²=νh

両辺をcで割る。
mc=νh/c

cは光の速度。左辺mcは質量×速度になっている。つまり左辺は運動量P

P=νh/c

光速cを光の振動数νで割ると、光の波長λになる。

つまりc/ν=λ ⇒ c=νλ

これを代入して
P=h/λ

∴光子の運動量はプランク定数hに光の波長λの逆数をかけたもの

参考サイト：
http://www.buturigaku.net/main01/Quantum/Photon_momentum01.html

ちなみに、光子の質量がゼロだからと、最初からm=0としては成りません。光子は質量ゼロでも秒速約30万kmという速度で運動する量子です。光速以下の我々を構成している素粒子（タージオン）とは異なる特殊な量子です。

■制動不良
ちなみにフットブレーキの使い過ぎによるブレーキが利かなくなる現象としては、以下２つがあります。

・ベーパーロック現象：
ブレーキフールド（作動液）が沸騰して気泡が発生し、ペダルの踏み代が無くなり、ブレーキが利かなくなる。ブレーキ配管系統からブレーキシリンダーにかけて気泡が発生すると、ペダルを踏んだ時に気泡が圧縮されるため油圧がブレーキパッドへ伝わらなくなります。

・フェード現象：
摩擦材が加熱によって変質し溶けた液体が発生する。ディスクロータとの間に液体が侵入し、潤滑油のように働いて滑って摩擦しなくなり、ブレーキが利かなくなります。

下り坂では、これらが起きやすいので、エンジンブレーキ（電動であれば回生ブレーキ）を使うわけです。

お礼

タージオンという分類なのですね。お陰様で語彙が増えました。技術の解説もありがとうございます。

回答No.1

tetsumyi

核子と電子は運動エネルギーを持ちません。
分子原子の振動が熱エネルギーです。
核子と電子は広がりを持った雲のような状態でそのエネルギーは放射線や光を含む電磁波パルスとして放出されます。
車の運動エネルギー(乗用車の速度)は殆んどが熱エネルギー(ブレーキパッドとブレーキディスクの温度)が増大となりますが徐々に空気中に拡散します。
下り坂でブレーキを踏み続けると想定外の高温度となってブレーキフルードが気化してブレーキが効かなくなりますからエンジンブレーキを使うように教えられます。

お礼

光子は質量ゼロで運動エネルギーを持たないですよね。電子雲を持たない金属内部を飛び回る自由電子は運動エネルギーを持つような印象を与えますが、量子力学は私には全く分かりません。ブレーキフルードが気化するのですね。坂道の終わりでお乗せしていたミニバスのお客様をヒヤッとさせてしまいました。ありがとうございます。