一般財団法人環境イノベーション情報機構

環境Q&A

水の凝固温度 

登録日: 2009年01月31日 最終回答日:2009年02月04日 環境学習 その他(環境学習)

No.31104 2009-01-31 18:18:24 ZWlc04d ゆう

水が凝固するときの温度が一定なのはなぜか教えてください

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No.31110 【A-1】

Re:水の凝固温度

2009-01-31 22:48:50 筑波山麓 (ZWl7b25

>水が凝固するときの温度が一定なのはなぜか教えてください

「ゆう」さんへ。

「ゆう」さんは、小学生ですか?この質問は、簡単なようでとても難しい質問です。

おじさんの力では、「ゆう」さんに分かるように説明できるか不安です。できうる限り、分かりやすく説明してみるつもりですが、もし、分からないところがありましたら、また、質問してください。他の方も、私の説明に不足したり、分かりにくいところがありましたら、補足説明をお願いします。

水を冷却していくと、温かい水は軽く、冷たい水は重いので(4℃の水がもっとも重いです)、冷やされた水は沈んでいき、周りの水は上昇し、上下にかくはんされ、温かい水と冷たい水がまざり、水全体がほぼ同じ温度になります(対流現象といいます)。

1gの水を1℃温めるのに1カロリーの熱量がいりますが、同様に1gの水を1℃冷却するのに1カロリーの熱量を奪い去る(冷却する)ことが必要です。ところが、1gの水を固体(氷)に凍らせるには80カロリーの熱量が必要と、水を冷やすのにくらべて80倍の熱量が必要です。

したがって、水を冷やしていっても、対流現象で0℃になるまで混合され、全体が0℃になってから凍り始めるのです。

なお、北極とか南極とか非常に寒い地方に行くと、水が急激に冷やされ、対流現象で混合されるより早く表面の水が冷却され、水の表面から凍っていきます。

回答に対するお礼・補足

筑波山麓 様
ありがとうございました。
また、よろしくお願いします。

No.31114 【A-2】

Re:水の凝固温度

2009-02-01 20:45:57 おせんち (ZWlb24a

>難しいことを易しく、優しくいうのは、難しいものです。筑波山麓さんの苦労がよく分かります。どの程度の精度で言うのかで回答が変わってきます。
 ご質問の内容については、現象は知っていても、理屈を十分に理解している人の方が少ないように思います。したがって、私はもちろんのこと、子供からおじいちゃんまで知らない人の方がはるかに多いでしょう。
 「水が凝固するとき」のイメージは、水の入ったガラスコップを氷点下の状態に置いたときに水面から徐々に凍り始めるような感じでしょうか。大気圧の下では、水と氷の両方がコップの中にある間は、0℃以外にありえないのです。そもそもその温度を0℃と決めたわけですから。
 とはいっても、コップの中で氷が徐々に出来て行く状態は、水も氷も0℃では、具合が悪いのです。外部に熱が奪われていくためには、少々の温度差がないと熱が移動しませんので。水の方は温度差による対流が起き、0℃以下になった水(過冷却)が氷に接して凍っていくようです。圧力が変わると温度も変わり、圧力が決まれば温度も決まります。
 海では、海水は、絶対にマイナス1.8℃以下にならないので、ちょっと我慢をすると魚は、(体の仕組みで)生きていけます。
 正確には、インターネットで「水の状態図」を検索してみてください。 

回答に対するお礼・補足

おせんち 様
 ありがとうございました。
わかりやすかったです。
 また、よろしくお願いします。

No.31125 【A-3】

Re:水の凝固温度

2009-02-02 17:36:27 これからISO (ZWlb353

>水が凝固するときの温度が一定なのはなぜか教えてください
私が勘違いをしているのか、先のお二方が勘違いをしているのか。


ここから本文
>温度が一定
水はH(水素)が2個とO(酸素)のひとつが結合して出来ています。
そして、水素も酸素も世界中で全く同じ物なのです(同位体の話は無視)。
同じ物は同じ条件で同じふるまいをします。
それだけです。

ちなみに圧力が変わったり、不純物が混ざると凝固点は変わりますが、それらが全く同じであれば。凝固点も同じに変わります。

回答に対するお礼・補足

これからISO  様
 お世話になりました。
 有り難うございました。

No.31131 【A-4】

Re:水の凝固温度

2009-02-02 21:34:28 環境担当者 (ZWl471b

>水が凝固するときの温度が一定なのはなぜか教えてください

わたしもこれからISOさんと同じ感じを持ちました

質問は、
(1)凍る時は、常に一定の温度で凍るのか?
なのでしょうか?

それとも
(2)凍る時は、氷も水も全体の温度は一様なのはなぜなのか?
の違いなのかな?

質問者応えて頂戴

回答に対するお礼・補足

こんばんは  お世話になります。
質問は、(1)凍る時は、常に一定の温度で凍るのか?です。
よろしくお願いします。

No.31132 【A-5】

Re:水の凝固温度

2009-02-02 22:09:38 Lake (ZWla752

簡単に説明するのは、とても難しいですが・・・(かなり簡単にしているので、物理学の専門家から見ると正確ではないかもしれませんが、ご容赦を。)

温度というのは、普通の状態(私たちが暮らしている環境、と思ってください)では、分子の運動の激しさのことと同じ、と考えても差し支えありません。

水の分子は、「水」の状態では自由に(厳密には違いますが)動けますが、「氷」の状態では、自由には動けません。動けるようにするには、エネルギー、簡単に言うと熱を加えて、分子を固定しているつなぎ目を切ってやる必要があります。
-10℃の氷に熱を加えると温度は上がります。同じく、0℃の水に熱を加えても温度は上がります。しかし、0℃の氷に熱を加えるとその熱はつなぎ目を切るために使われるので、温度は上がりません。温度を下げていったときは、その逆のことが起こります。

>これからISOさん
水の状態変化を考えるとき、同位体を無視するなら、HやOといった構成原子は考慮する必要がないかと思います。あくまでも「水分子」の物性です。

No.31153 【A-6】

Re:水の凝固温度

2009-02-03 23:41:56 おせんち (ZWlb24a

>水が凝固するときの温度が一定なのはなぜか教えてください

>筑波山麓さんとおせんちが、おかしなことを言っているように思われてしまいそうなので、弁明をさせてください。
 ご質問の内容「水が凝固するときの温度が一定なのはなぜか」を「水と氷が共存している状態の温度はなぜ一定なのか」と聞かれたものと解釈しました。それを「水が凍る温度はなぜ同じなのか」と聞いているとは思いませんでした。
 温度と熱量からなる水の冷却曲線をみると水が凝固するときは、温度が一定の直線になります。物理化学的な観点からの質問と勘違いをしたようです。
 「一定」と「同じ」は、同じ物ではない、別物と考えていました。確かに、水は世界中どこでも標準状態では、0℃という同じ温度で凍ります。ただし、普通は、それを一定の温度で凍るとは言いいません。
 あまり本気になって弁明し、区別すると笑われそうです。 

No.31168 【A-7】

Re:水の凝固温度

2009-02-04 22:22:51 筑波山麓 (ZWl7b25

>水が凝固するときの温度が一定なのはなぜか教えてください

「ゆう」さんおよび回答してくださった皆さんへ。

「おせんち」さんが言われているとおりですが、一方、他の方がいわれている「分子運動」、「温度」と「性状(ガス、溶液、固体)」の関係も回答したいと考えておりました。しかし、これを初心者向けに分かりやすく説明しようと考えているうちに、他の方が説明してくださったので、様子見をしておりました。

「原子または分子は、熱エネルギーを持つため振動しています。固体のこの動きはとても小さく、通常の状態ではわかりません。熱振動が原子(分子)間の結合に打ち勝つようになると相転移して液体に、更に熱振動が大きくなると気体となっていく。」ということ、および、「水が1気圧下でほぼ必ず0℃で凍ること」を、小学生でも分かるように説明できる回答案ができませんでした。

学校の教育でも暗記を当然のこととして要求している内容です。これを「なぜ、なぜ、なぜ」に答えるように、理解できるように回答できないかと考えているうちに皆さんが回答してくださったので、ある意味、安心しておりました。

皆さん、ありがとうございました。

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