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日曜日、体育館でK先生から、「氷水に塩を入れると、なんで冷たくなるんですか?」、と聞かれました。Jr.がアイシングしている時に、塩を入れるともの凄く冷たくなるそうです。
即答は出来なかったけど、アップしながら考えていて、一応、次のような理屈を思いつきました。念のため、検索したところ、これで合ってるようです。
これらの性質を前提にすると、0℃の氷水に塩を追加して混ぜると、氷は氷でいられなくなり融けることになるけど、そのために、周りから熱を吸収して、温度が下がるという説明がつきます。 K先生も、取り敢えず納得してくれましたが、案の定、次の質問が来ました。「なんで、塩を入れると0℃で凍らなくなるんですか?」 これはその場では分かりませんでした。調べてみたところ、塩を入れると温度が下がる現象は、「凝固点降下」と言うそうです。すっかり忘れてましたが。なぜ凝固点降下が起きるか、という原因の説明には、ニパターンありました。 簡単バージョン:
厳密バージョン:
厳密バージョンと簡単バージョンの間を埋めるような説明が、あまり見つからなかったので、書いてみます。 まず、世の中には二つの原理があり、それが戦っています。
宇宙の原理なので、これはなぜか、は説明できません。きちんと整理整頓清潔清掃躾けして静かにしていると、1が満足しますが2が不満になります。一方、暴れまわっていると2が満足して、1が怒ります。世の中は、この楽をしたいのと、乱れたいのとが常に戦い、どこかで調和がとられています。その調和を取る点は温度で決まります。温度が高いほど、2の傾向が強くなり、温度が低くなると1が優勢になります。人間でいうと、若いほど1より2の傾向が強く、歳をとるに連れ、1の傾向が強くなるようです。温度の逆数が若さに比例する、と考えてもいいでしょう。 さて、本題の氷水です。氷は、水分子が整然と並び、一箇所でじっとしています。じっとしているので、エネルギーは低く1は文句を言いませんが、乱れ方が足りないので、2は不満を持っています。一方、融けている水では、各水分子が勝手放題に(といっても水蒸気ほどではない)走り回っています。2が満足して、1が嫌がっています。塩を入れる前の純水では、0℃より高い温度では、2が優勢になっていますが、温度を下げていって、0℃未満になると、1が優勢になります。暴れまわるには歳をとりすぎた、と思うといいでしょう。0℃では、液体と固体どちらでいてもいい、という状態です。 この0℃の状態の、水と氷が混じり合ったところに、塩を追加するとどうなるでしょうか。 塩は液体の方の水にだけ入り込み、その分だけ、水を乱雑にします。塩が解けてナトリウムイオンと塩素イオンになり、水の中で勝手気ままに動き回るためです。そして、水の量が多い程、それらのイオンが動き回る余地が生まれ、氷でじっとしているより、暴れ回りたいという方が優勢になるのです。ある歳(0℃)で落ち着こう(氷になる)と思ってたら、鉄棒とか鞍馬みたいな楽しいおもちゃ(塩)を貰って、まだ遊んでいたくなった(水のままがいい)という事なのです。ただし、おもちゃ無しで走り回っていた頃よりは歳をとってるので、運動する量全体としては控えて満足します(潜熱)。おもちゃがあっても落ち着くには、もっと歳を取らないと(温度をさげないと)いけなくなるのです。 最後は、凝固点降下について書いているのか、私のことを書いているのか分からなくなりました。
by bun_ysmc
| 2012-04-23 22:17
| 自由研究
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Comments(3)
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