熱の伝わり方と状態変化 · HeatLab

温度計の使い方

実験室でよく使う液体温度計は、液体の膨張と収縮を利用しています。液だめの液体は温められると膨張し、細い管を上がっていきます。

使い方：① まず測定範囲と1目盛りの値を確かめる；② 液だめは測る液体に全部つけ、容器の底や壁にふれさせない；③ つけてからしばらく待ち、示度が安定してから読む；④ 読むときも液だめは液体につけたまま、目線を液柱の先端と同じ高さにする。

液だめをビーカーの底にふれさせたり（底はホットプレートの上なので水より熱い）、液から出したりしてみましょう。上から・下から読むと、値は大きくなるでしょうか、小さくなるでしょうか。

セルシウス温度

温度は物体のあたたかさ・冷たさの程度を表します。よく使う単位はセルシウス度（°C）です。

セルシウス温度では、標準大気圧のもとで氷水の温度を 0 °C、沸騰している水の温度を 100 °C とし、その間を 100 等分した1つ分を 1 °C とします。

温度計を3つのビーカーに順に入れ、液柱がどこで止まるか見てみましょう。0 °C より低い温度は「マイナス」で表し、−5 °C は「マイナス5度」と読みます。

融解と凝固

物質が固体から液体になることを融解、液体から固体になることを凝固といいます。

ハイポ（チオ硫酸ナトリウム）の入った試験管をお湯で温め（湯せん：むらなく、ゆっくり温まる）、一定時間ごとに温度を記録すると、右に温度–時間のグラフが描かれます。

ハイポはとけている間、温度が 48 °C のまま変わりません。この温度を融点といい、試験管の中では固体と液体が共存しています。全部とけてから温度は再び上がります。パラフィンには決まった融点がなく、やわらかくなりながら温度が上がり続けます。

決まった融点をもつ固体を結晶、もたないものを非結晶といいます。融解は熱を吸収し、凝固は熱を放出します。同じ結晶の凝固点は融点と同じです。「加熱をやめる」を押して凝固のようすを見てみましょう。

水の沸騰

沸騰とは、液体の内部と表面で同時に起こる激しい気化です。

加熱しながら泡を観察しましょう。沸騰前は、底でできた泡が上がるにつれて小さくなります（上の水が冷たく、泡の中の水蒸気が液体に戻るため）。沸騰中は、たくさんの泡が上がりながら大きくなり、水面ではじけます。

液体が沸騰するときの温度を沸点といいます。沸騰している間も熱を吸収し続けますが、温度は変わりません。熱源を外す（「加熱をやめる」）と、沸騰はすぐ止まります。

沸点は気圧によって変わり、気圧が高いほど沸点も高くなります。高地では気圧が低く、水は 100 °C より低い温度で沸騰するので、ご飯がうまく炊けません。圧力鍋の中では沸点が 120 °C ほどになります。

蒸発と凝縮

物質が液体から気体になることを気化といい、蒸発と沸騰の2つの方法があります。蒸発は液体の表面だけで起こり、どんな温度でも起こります。

1本の温度計の液だめをアルコールをしみこませた綿で包むと、アルコールが蒸発するときに液だめから熱を奪い、示度が下がります。アルコールがなくなると、示度はゆっくり室温に戻ります。

蒸発を速めるもの：液体の温度が高い、表面積が大きい、表面の空気の流れが速い。うちわであおぐと涼しいのは、汗の蒸発が速くなるからです。

物質が気体から液体になることを凝縮（液化）といい、熱を放出します。沸騰した水の上に冷たいガラス板をかざすと、水蒸気が冷やされて小さな水滴になります。やかんの口から出る「湯気」も水蒸気ではなく、水蒸気が凝縮した小さな水滴です。

昇華と凝華

物質が固体から直接気体になることを昇華、気体から直接固体になることを凝華（昇華）といいます。昇華は熱を吸収し、凝華は熱を放出します。

少量のヨウ素の粒を封入したヨウ素管をお湯に入れると、粒が少なくなり、管の中が紫色のヨウ素の気体で満たされます。取り出して冷やすと、ヨウ素の気体はガラスの内側で小さな結晶に凝華します。

なぜ湯せんなのでしょう？ ヨウ素の融点は約 114 °C、お湯は 100 °C を超えないので、ヨウ素はとけません。見える紫色の気体は昇華によるものだとわかります。「直接加熱」にすると融点を超え、ヨウ素はとけて液体になってから気化するので、昇華の説明になりません。

身近な例：防虫剤が小さくなる、冬に凍った洗濯物が乾くのは昇華；霜、樹氷、窓の氷の模様は凝華です。

物質による温まり方のちがい

同じ電気ヒーター2つで、質量の等しい水と灯油をそれぞれ温めます。同じ時間に受け取る熱量は同じです（条件制御）。

右の温度–時間グラフでは、灯油は速く、水はゆっくり温まります。同じだけ温度を上げるには、水はより長く加熱され、より多くの熱を受け取る必要があります。水の方が温まりにくい（熱をたくわえやすい）のです。

この性質を比熱容量（比熱）で表します。物質が受け取った熱量を、その質量と上昇温度の積で割った値です。水の比熱は 4.2×10³ J/(kg·°C)、灯油は約 2.1×10³ J/(kg·°C)、砂は約 0.92×10³ J/(kg·°C) です。

Q = c m Δt

だから海沿いの地域は昼夜の温度差が小さく、内陸の砂漠は大きいのです。自動車のエンジンを水で冷やすのもこのためです。

伝導

熱が物体の中を温度の高い部分から低い部分へと伝わることを伝導といいます。

太さ・長さの同じ銅・アルミニウム・鉄・ガラスの棒の一端を同じ熱源に入れ、棒にはロウで一定間隔にマッチを付けておきます。熱が棒を伝わるとロウがとけ、マッチが順に落ちます。

銅の棒のマッチがいちばん速く、たくさん落ち、次にアルミニウム、鉄はゆっくりで、ガラスの棒のマッチは落ちません。金属は熱をよく伝え、とくに銅とアルミニウムがよく伝えます。ガラス・木・プラスチック・空気は熱を伝えにくい物質です。

サーモグラフィーに切りかえると、温度が棒を少しずつ伝わっていくようすが見えます。フライ返しの木の柄やダウンジャケット（空気をたくさん含む）は、熱を伝えにくい物質を利用しています。

対流

液体や気体の中では、温かい部分が上がり冷たい部分が下がって循環し、温度が均一になっていきます。この熱の伝わり方を対流といいます。

水槽の片側の底を温め、底に過マンガン酸カリウムの結晶を数粒入れると、紫色の流れがまず温めた側で上がり、水面で反対側へ流れ、反対側で下がって、ひと回りの流れになります。

加熱の出力が大きいほど対流は速く、加熱をやめると流れはゆっくり止まります。

暖房器を窓の下に、エアコンを部屋の高いところに付けるのも、やかんを底から温めるのも、対流を利用しています。

放射

熱が媒体を必要とせず、高温の物体から電磁波として直接出ていくことを熱放射といいます。太陽の熱も、こうして真空を通って地球に届きます。

電気スタンドで、同じ量の水を入れた黒い缶と白い（光った）缶を照らすと、黒い缶の方がはっきり速く温まります。色が濃く表面がざらざらしているほど、放射をよく吸収します。ライトを消すと、黒い缶は冷えるのも速く、よく吸収する物体はよく放射もします。

魔法びんは3つの熱の伝わり方をすべてさえぎります。二重のガラスの間を真空にして伝導と対流を防ぎ、ガラスに銀めっきをして放射をはね返し、栓で対流と蒸発を減らします。ふつうのびん、真空のびん、真空で銀めっきしたびんで、お湯の冷め方を比べましょう。

氷から沸騰まで

−20 °C のくだいた氷をホットプレートで加熱し続けると、右に温度–時間の曲線全体が描かれます。

① 氷が 0 °C まで温まる；② 氷がとけ、温度は 0 °C のまま（氷は結晶で融点 0 °C）；③ 水が 100 °C まで温まる；④ 水が沸騰し、温度は 100 °C のまま、水はだんだん減る。

2つの平らな部分ではどちらも熱を吸収していますが、その熱は温度を上げるのではなく状態を変えるのに使われます。平らな部分の長さを比べると、1 kg の水を気化させる熱（約 2.26×10⁶ J）は 1 kg の氷をとかす熱（約 3.34×10⁵ J）の7倍近くです。

加熱の出力や氷の最初の温度を変えて、曲線がどう変わるか見てみましょう。